Американские исследователи из лаборатории Чжана в университете Бостона разработали и представили новый метаматериал для широкополосного глушения звукового шума.
Группа исследователей под руководством магистра физики, бакалавра медицины и механики, магистра инженерных наук, профессора Синь Чжана, создала фазово-градиентный ультра-открытый метаматериал (PGUOM) для подавления широкополосных акустических сигналов. Как отмечает сам профессор Синь Чжан, PGUOM больше похож по принципу на шумоподавляющие наушники.
«Он сохраняет высокую эффективность даже при изменении высоты тона или громкости шума, что делает его гораздо более практичным в динамичных условиях, таких как открытые офисы, вентиляционные системы или транспортные узлы, где источники звука непредсказуемы и охватывают широкий диапазон частот. Ранние разработки, основанные на резонансе Фано, созданные нашей командой, были подобны настройке радиоприемника на блокировку одной станции. PGUOM использует более интеллектуальный подход — он больше похож на шумоподавляющие наушники, эффективно подавляя широкий спектр нежелательных звуков», — объясняет Синь Чжан.
По словам профессора, материал состоит из одиночных или повторяющихся суперячеек, каждая из которых, в свою очередь, состоит из трех элементарных ячеек субволновой длины. В первую и третью элементарные ячейки встроены сплошные барьеры для создания контролируемых фазовых сдвигов входных звуковых волн, при этом центральная ячейка остается открытой, обеспечивая беспрепятственный поток воздуха.
Эти специально созданные фазовые сдвиги вызывают полный 2π-фазовый градиент в каждой суперячейке, превращая входные звуковые волны в ложные поверхностные волны — акустические аналоги электромагнитных поверхностных плазмонов, которые захватываются и рассеиваются вдоль поверхности. В результате происходит эффективное подавление широкополосного шума, а воздушный поток и геометрическая адаптивность сохраняются.
«Наша конструкция универсальна, и в этом ее преимущество. Ее можно настраивать как по частотному диапазону, так и по интенсивности воздушного потока, в зависимости от условий применения», — отмечает Синь Чжан.
В отличие от традиционных фазово-градиентных структур с равномерными элементарными ячейками, в конструкции исследователей центральная ячейка увеличена для удовлетворения меняющихся потребностей в воздушном потоке без ущерба для эффективности глушения.
«Хроническое воздействие чрезмерного шума, которое часто игнорируется по сравнению с загрязнением воздуха и воды, может серьезно повлиять на здоровье человека, способствуя потере слуха, нарушениям сна, повышению уровня стресса и даже сердечно-сосудистым заболеваниям», — подчеркнул Синь Чжан.
Шумовое загрязнение также влияет на жизнь диких животных, изменяя модели их поведения и дестабилизируя экосистемы. Благодаря последним достижениям в области дизайна, направленным на создание более легких, открытых и поддерживающих широкополосную связь материалов, команда теперь решает эти проблемы в более широком масштабе. Исследователи успешно перешли от моделирования к созданию реальных прототипов.
«Мы сосредоточены на интеграции наших разработок в конкретные продукты и приложения, одновременно оптимизируя метаматериалы для масштабируемых производственных процессов. Мы также работаем над дальнейшим повышением эффективности шумоподавления, стремясь к высокому уровню затухания в еще более широком диапазоне частот, сохраняя при этом низкое сопротивление воздушному потоку и минимизируя общую толщину», — рассказал Синь Чжан.
Результаты исследования опубликованы в журнале Scientific Reports
Источник: TechXplore
