Nos fones de ouvido que usamos para ouvir nossas músicas ou podcasts favoritos, à camuflagem sônica empregada por submarinos, como transmitimos e experimentamos o som é uma parte essencial de como nos envolvemos com o mundo ao nosso redor. Metamateriais acústicos são materiais projetados para controlar, dirigir e manipular as ondas sonoras à medida que passam por diferentes meios. Como tal, eles podem ser projetados e inseridos em uma estrutura para amortecer ou transmitir o som.

O problema é, metamateriais acústicos tradicionais têm geometrias complexas. Muitas vezes feito de metal ou plástico rígido, uma vez que eles são criados, eles não podem ser alterados. Considere por exemplo, um dispositivo acústico construído para amortecer o som de saída em um submarino, para que possa atingir a furtividade. Se uma condição diferente surgisse, por exemplo, um aliado com o qual o submarino queria se comunicar passa, o mesmo dispositivo acústico não permitiria que o som fosse transmitido externamente.

Uma equipe de pesquisadores da USC, liderado por Qiming Wang, professor assistente no Departamento de Engenharia Civil e Ambiental Sonny Astani, criou um novo material inteligente que acomoda mudanças na transmissão acústica sob demanda. "Com metamateriais acústicos tradicionais, você cria uma estrutura e obtém uma propriedade. Com este novo material inteligente, podemos alcançar várias propriedades com apenas uma estrutura, "Disse Wang. Ao estudar este novo material, Wang e sua equipe descobriram que seu material inteligente tinha a capacidade de recriar propriedades intrínsecas a dispositivos eletrônicos, como interruptores, mostrando, assim, a promessa de transmissão de som inteligente - um "computador" de som.

Wang e sua equipe, incluindo USC Viterbi Ph.D. candidatos Kyung Hoon Lee, Kunhao Yu, An Xin e Zhangzhengrong Feng, e o pós-doutorado Hasan Al Ba'ba'a, detalhou suas descobertas em seu artigo "Sharkskin-Inspired Magnetoactive Reconfigurable Acoustic Metamaterials, "publicado recentemente em Pesquisar . Inspirado nas propriedades duplas criadas pelos dentículos dérmicos na superfície da pele de um tubarão, a equipe criou um novo metamaterial acústico que contém nanopartículas magneto-sensíveis que se dobram sob a força de estímulos magnéticos. Esta força magnética pode alterar a estrutura remotamente e sob demanda, acomodando diferentes condições de transmissão.

Modulando múltiplas propriedades acústicas em um dispositivo

O metamaterial acústico criado pelos pesquisadores é feito de borracha e uma mistura de nanopartículas de ferro. A borracha oferece flexibilidade, permitindo que os materiais dobrem e flexionem reversível e repetidamente, enquanto o ferro torna o material responsivo ao campo magnético.

Para tornar as estruturas responsivas a entradas acústicas, Wang e sua equipe tiveram que montar os materiais de forma que a ressonância entre eles - ressonância de Mie - permitisse mudanças na transmissão acústica - bloqueando ou conduzindo uma entrada acústica. Se os pilares estiverem mais próximos, a onda acústica será efetivamente capturada e impedida de se propagar para o outro lado da estrutura. Por outro lado, se os pilares estão mais separados, a onda acústica passará facilmente. "Usamos o campo magnético externo para dobrar o pilar e desdobrar o pilar para alcançar esse tipo de comutação de estado, "disse o autor principal, Lee. O resultado é uma mudança de uma posição que bloqueia a transmissão acústica para uma que conduz efetivamente as ondas acústicas. Ao contrário dos metamateriais acústicos tradicionais, nenhum contato direto ou pressão é necessário para alterar a arquitetura dos materiais.

Um "Computador" de som

Wang e sua equipe conseguiram demonstrar como seu material inteligente pode imitar três dispositivos eletrônicos importantes:um interruptor, uma porta lógica, e um diodo. A interação dos materiais magneto-sensíveis com o campo magnético manipula a transmissão acústica de forma a criar funções como um circuito elétrico.

Para entender isso melhor, vamos ver como cada um desses três dispositivos eletrônicos funciona.

Uma chave permite que um canal seja ligado e desligado, por exemplo, em fones de ouvido com cancelamento de ruído. Neste exemplo, usando uma estrutura construída do metamaterial acústico inteligente, você pode ajustar o campo magnético para que os pilares do ressonador Mie se dobrem e permitam a passagem de ruído externo. Em outra instância, você pode desligar o campo magnético e os pilares permanecerão verticais, bloqueando a passagem de ruído externo, Disse Wang.

Uma porta lógica se baseia nesta ideia, ao disparar a tomada de decisão com base nos estímulos que chegam a diferentes canais de entrada. No caso de um submarino, talvez você queira que o dispositivo acústico module várias condições, em vez de um único:ataque quando receber um sinal fraco e um sinal forte, mas fuja quando receber dois sinais fortes. Para permitir que vários cenários façam parte da tomada de decisão, você tradicionalmente precisaria de vários dispositivos, cada um arquitetado para um cenário diferente. Um operador de porta AND descreve um dispositivo acústico que acionaria uma determinada resposta apenas quando os canais de entrada fossem fortes. Um operador de porta OR descreve um dispositivo acústico que acionaria uma determinada decisão quando um dos dois sinais fosse forte. Com metamateriais acústicos tradicionais, você só pode criar um operador e, portanto, responder a apenas uma condição. Com o novo metamaterial acústico inteligente desenvolvido pelos pesquisadores, Wang diz que você pode mudar de um portão AND para um operador de portão OR sob demanda. No caso do submarino, isso significa usar o campo magnético, você pode alterar as condições para as quais um comando de ataque é acionado sem construir um novo dispositivo acústico.

Finalmente, existe um diodo. Um diodo é um dispositivo em que a intensidade acústica é alta em uma direção e baixa em outra, assim, ele oferece transporte unilateral da onda acústica. Metamateriais acústicos tradicionais permitirão que você faça isso, mas novamente, você não pode mudar de estado. Usando o novo metamaterial acústico inteligente, você pode mudar de um estado de diodo para um estado de condutor, que permite a transmissão em ambas as direções, em vez de apenas uma direção. Isso entra em jogo no exemplo da camuflagem sônica no submarino, onde às vezes você vai querer que o dispositivo acústico permita que o som viaje em apenas uma direção e outras vezes, você deseja que seja transmissível em ambas as direções.

"Tal mudança nunca foi alcançada por metamateriais acústicos tradicionais, "Disse Wang.

Próximos passos

Agora mesmo, Wang e sua equipe testaram seu material no ar. Próximo, eles esperam testar as mesmas propriedades debaixo d'água, para ver se eles podem atingir as mesmas características em uma faixa de ultrassom.

"A borracha é hidrofóbica, para que a estrutura não mude, mas precisamos testar se os materiais ainda terão sintonia sob um campo magnético externo, "Wang disse, observar que a água terá mais resistência e, portanto, adicionará mais atrito à situação.