Desde los auriculares que usamos para escuchar nuestras canciones o podcasts favoritos, al camuflaje sónico empleado por los submarinos, cómo transmitimos y experimentamos el sonido es una parte esencial de cómo nos relacionamos con el mundo que nos rodea. Los metamateriales acústicos son materiales diseñados para controlar, dirigir y manipular las ondas sonoras a medida que pasan por diferentes medios. Como tal, pueden diseñarse e insertarse en una estructura para amortiguar o transmitir el sonido.

El problema es, Los metamateriales acústicos tradicionales tienen geometrías complejas. A menudo de metal o plástico duro, una vez creados, no se pueden cambiar. Toma por ejemplo, un dispositivo acústico construido para amortiguar el sonido saliente en un submarino, para que pueda lograr el sigilo. Si surgiera una condición diferente, por ejemplo, pasa un aliado con el que el submarino quería comunicarse, el mismo dispositivo acústico no permitiría que el sonido se transmita al exterior.

Un equipo de investigadores de la USC, dirigido por Qiming Wang, profesor asistente en el Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental de Sonny Astani, creó un nuevo material inteligente que se adapta a los cambios en la transmisión acústica bajo demanda. "Con metamateriales acústicos tradicionales, creas una estructura y logras una propiedad. Con este nuevo material inteligente, podemos lograr múltiples propiedades con una sola estructura, ", Dijo Wang. Al estudiar este nuevo material, Wang y su equipo descubrieron que su material inteligente tenía la capacidad de recrear propiedades intrínsecas a dispositivos electrónicos como interruptores, mostrando así la promesa de una transmisión de sonido inteligente:una "computadora" de sonido.

Wang y su equipo, incluyendo USC Viterbi Ph.D. candidatos Kyung Hoon Lee, Kunhao Yu, An Xin y Zhangzhengrong Feng, y el erudito postdoctoral Hasan Al Ba'ba'a, detallaron sus hallazgos en su artículo "Metamateriales acústicos reconfigurables magnetoactivos inspirados en la piel de tiburón, "publicado recientemente en Investigar . Inspirado en las propiedades duales creadas por los dentículos dérmicos en la superficie de la piel de un tiburón, el equipo creó un nuevo metamaterial acústico que contiene nanopartículas magnetosensibles que se doblarán bajo la fuerza de estímulos magnéticos. Esta fuerza magnética puede cambiar la estructura de forma remota y bajo demanda, acomodando diferentes condiciones de transmisión.

Modulación de múltiples propiedades acústicas en un dispositivo

El metamaterial acústico creado por los investigadores está hecho de caucho y una mezcla de nanopartículas de hierro. El caucho ofrece flexibilidad, permitiendo que los materiales se doblen y flexionen de forma reversible y repetida, mientras que el hierro hace que el material responda al campo magnético.

Para hacer que las estructuras respondan a las entradas acústicas, Wang y su equipo tuvieron que ensamblar los materiales de manera que la resonancia entre ellos (resonancia Mie) permitiera cambios en la transmisión acústica, ya sea bloqueando o conduciendo una entrada acústica. Si los pilares están más juntos, la onda acústica quedará atrapada de forma eficaz y se evitará que se propague al otro lado de la estructura. En cambio, si los pilares están más separados, la onda acústica pasará fácilmente. "Usamos el campo magnético externo para doblar el pilar y doblar el pilar para lograr este tipo de cambio de estado, ", dijo el autor principal Lee. El resultado es un cambio de una posición que bloquea la transmisión acústica a una que conduce eficazmente las ondas acústicas. A diferencia de los metamateriales acústicos tradicionales, no se requiere contacto directo o presión para cambiar la arquitectura de los materiales.

Una "computadora" de sonido

Wang y su equipo pudieron demostrar cómo su material inteligente podía imitar tres dispositivos electrónicos clave:un interruptor, una puerta lógica, y un diodo. La interacción de los materiales magnetosensibles con el campo magnético manipula la transmisión acústica de tal manera que crea funciones como un circuito eléctrico.

Para entender esto mejor veamos cómo funciona cada uno de estos tres dispositivos electrónicos.

Un interruptor permite encender y apagar un canal, por ejemplo, en auriculares con cancelación de ruido. En este ejemplo, utilizando una estructura construida con el metamaterial acústico inteligente, Puede ajustar el campo magnético para que los pilares del resonador Mie se doblen y permitan que pase el ruido externo. En otro caso, puede apagar el campo magnético y los pilares permanecerán verticales, bloquear el paso del ruido externo, Dijo Wang.

Una puerta lógica se basa en esta idea, activando la toma de decisiones basada en los estímulos que llegan a diferentes canales de entrada. En el caso de un submarino, tal vez desee que el dispositivo acústico module múltiples condiciones, en lugar de uno singular:ataca cuando recibe una señal débil y una señal fuerte, pero huye cuando reciba dos señales fuertes. Para permitir que múltiples escenarios sean parte de la toma de decisiones, tradicionalmente necesitarías varios dispositivos, cada uno diseñado para un escenario diferente. Un operador de puerta AND describe un dispositivo acústico que dispararía una determinada respuesta solo cuando los dos canales de entrada son fuertes. Un operador de puerta de quirófano describe un dispositivo acústico que desencadenaría una determinada decisión cuando cualquiera de las dos señales es fuerte. Con metamateriales acústicos tradicionales, solo puede crear un operador y, por lo tanto, responder solo a una condición. Con el nuevo metamaterial acústico inteligente desarrollado por los investigadores, Wang dice que puede cambiar de una puerta AND a un operador de puerta OR a pedido. En el caso del submarino, eso significa usar el campo magnético, podría cambiar las condiciones por las que se activa un comando de ataque sin construir un nuevo dispositivo acústico.

Finalmente, hay un diodo. Un diodo es un dispositivo en el que la intensidad acústica es alta en una dirección y baja en otra. por tanto, ofrece transporte unidireccional de la onda acústica. Los metamateriales acústicos tradicionales le permitirán hacer esto, pero otra vez, no puedes cambiar de estado. Usando el nuevo metamaterial acústico inteligente, puede cambiar de un estado de diodo a un estado de conductor, que permite la transmisión en ambas direcciones, en lugar de solo una dirección. Esto entra en juego en el ejemplo del camuflaje sónico en el submarino, donde a veces querrá que el dispositivo acústico permita que el sonido viaje en una sola dirección y otras veces, desea que sea transmisible en ambas direcciones.

"Tal cambio nunca se ha logrado con los metamateriales acústicos tradicionales, "Dijo Wang.

Próximos pasos

Ahora, Wang y su equipo han estado probando su material en el aire. Próximo, esperan probar las mismas propiedades bajo el agua, para ver si pueden lograr las mismas características en un rango de ultrasonido.

"El caucho es hidrofóbico, para que la estructura no cambie, pero tenemos que probar si los materiales aún tendrán capacidad de sintonización bajo un campo magnético externo, "Wang dijo, notar que el agua tendrá más resistencia y, por lo tanto, agregará más fricción a la situación.