控制薄膜声音的新途径

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俄勒冈大学(University of Oregon)的物理学家们已经完成了一项人造复合薄膜的理论研究,在这种薄膜中,声波可以被阻止、逆转,甚至被储存起来供以后使用。

研究人员Pragalv Karki和Jayson Paulose,通过理论和计算分析,专注于薄弹性板的机械振动,这是他们提出的被称为超材料的合成薄膜设计的基石。他们还开发了一个由弹簧和质量组成的更简单的模型来演示信号处理能力。

Karki说:“有很多机制可以引导或阻止声波通过超材料的传输,但我们的设计是第一个动态阻止和逆转声波脉冲的。”

控制薄板中声音传输的两个物理参数——弯曲刚度和整体张力之间的相互作用,是它们机制的核心。弯曲刚度是一种材料特性,整体拉力是其系统的一个外部可控参数。

杜克大学物理系和基础科学研究所的Karki和Paulose在3月29日发表在《物理评论应用》(Physical Review Applied)杂志上的一篇论文中描述了他们的机理,他们称之为动态色散调谐。

“如果你把一块石头扔在池塘里,你看到涟漪,“Karki说,“但如果你扔出石头,看到的不是涟漪向外扩散,而是水在撞击点上下的位移呢?这与我们的系统中发生的情况类似。”

控制薄膜声音的新途径

Karki说,在人工制造的超材料中操纵声音、光或任何其他波的能力是一个热门的研究领域。光学超材料具有传统材料不可能具备的负折射率等特性,最初是为了控制光线而开发的,可以用来制造隐形斗篷和超透镜。它们的用途正在广泛应用,如航空航天和国防、消费电子、医疗设备和能源收集。

Karki说,声学超材料通常是静态的、不可改变的,所以如何调整它们的性能是一个持续的挑战。其他研究小组提出了一些策略,如使用的钢质包装袋的设计或磁开关。“在我们的案例中,这种可调性来自于实时改变鼓状膜张力的能力,”Karki说。

Karki和Paulose指出,灵感来源于物理学家Benjamin Aleman在2019年发表在《自然通讯》(Nature Communications)上的UO实验室的研究。Alemán的团队公布了一种石墨烯纳米机械辐射热计,这是一种鼓状膜,可以在高速和高温下检测光的颜色。

Karki说,尽管新论文中的机制在理论上得到了确认,但还需要在实验室实验中得到验证,他相信这种方法将会奏效。“我们的动态色散调节机制与使用的是声波、光波还是电子波无关,”Karki说。“这开启了操纵信号光子和电子系统的可能性。”

他说,这种方法可以包括改进声音信号处理和计算。像Aleman实验室的那些基于石墨烯的声学超材料,可能在诸如基于波的计算、微机械晶体管和逻辑器件、波导和超灵敏传感器等技术中有用。

信息源于:around.uoregon

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