Metamateriali acustici stampati in 3d forseper le nostre prossime cuffie

Le tue prossime cuffie potrebbero utilizzare metamateriali stampati in 3D?
Abbiamo spesso visto la stampa 3D utilizzata per fabbricare cuffie e auricolari . Ma un team di ricercatori del Dipartimento di ingegneria elettrica ed elettronica  dell’Università di Strathclyde a Glasgow stanno portando questa idea al livello successivo con metamateriali acustici . I metamateriali, che possono trasformarsi in base al loro ambiente, costituiscono una nuova classe di superfici finemente ingegnerizzate in grado di svolgere compiti che sfidano la natura, come gli ologrammi di stampa 3D e le onde sonore di formatura. I metamateriali acustici hanno la capacità unica di attenuare il suono rompendo la legge della densità di massa, a causa di proprietà come densità effettiva negativa e modulo di massa: non è un’impresa facile quando si tratta di piccoli dispositivi poiché le pareti sottili sono facilmente penetrate dalle onde acustiche.

I ricercatori, che sono tutti affiliati a vario titolo presso il Center for Ultrasonic Engineering (CUE) dell’università , hanno recentemente pubblicato un documento intitolato ” Migliorare l’assorbimento acustico dei metamateriali acustici stampati 3D su piccola scala basati sui risonatori di Helmholtz “, specificando come il loro SLA Metametarials acustici stampati in 3D, basati su risonatori di Helmholtz, possono essere utilizzati per applicazioni di assorbimento acustico su piccola scala.

L’abstract dice: “La risposta direzionale dovuta alla posizione della sorgente acustica sull’attenuazione del suono fornita dal metamateriale viene analizzata controllando la posizione di un altoparlante con un braccio robotico. Per migliorare e ampliare le bande di assorbimento, vengono aggiunte modifiche strutturali in modo tale che gli armonici siano sintonizzati su frequenze selezionate e le membrane siano incluse alla base dei risuonatori. Questo design è reso possibile da innovative tecniche di stampa 3D basate sulla stereolitografia e sull’uso di specifiche resine UV-induribili. Questi risultati mostrano che questi progetti potrebbero essere utilizzati per il controllo del suono in dispositivi e sensori elettroacustici su piccola scala. ”
Per tagliare la trasmissione del suono di un materiale della metà, devi raddoppiarne la frequenza acustica, la densità o lo spessore. Quando un metamateriale acustico ha parametri negativi, si formeranno delle bande di arresto in cui il suono è profondamente attenuato a determinate frequenze.

“I metamateriali acustici possono rompere la legge della densità di massa sfruttando le bande di arresto formate in prossimità delle frequenze di risonanza delle loro celle unitarie”, spiegano i ricercatori. “Queste strutture materiali sono spesso basate su risonatori e membrane Helmholtz. La banda di frequenza che viene attenuata usando questo tipo di celle unitarie è tuttavia stretta, quindi soluzioni come l’accoppiamento di più risonanze e l’utilizzo delle perdite dei materiali sono generalmente utilizzate per realizzare l’attenuazione della banda larga. ”

Il documento del team presenta un progetto di base di questi metamateriali acustici su piccola scala e sub-lunghezza d’onda stampati in 3D, che utilizzano gli array di risonatori Helmholtz per generare bande di arresto in cui l’attenuazione del suono aumenta con il numero di celle unitarie. Un altoparlante, guidato da un braccio robot KUKA  attraverso una traiettoria dell’emisfero quarto, ha dimostrato che una banda di assorbimento si forma “per ogni angolo di incidenza dell’onda sonora”. Un microfono di riferimento è stato utilizzato per misurare la trasmissione del suono nell’aria, mentre il la trasmissione sopra il campione è stata misurata da un secondo microfono.

Il documento spiega anche due metodi per migliorare la banda di stop, il primo dei quali richiede che gli armonici dei risuonatori siano sintonizzati più strettamente sulla frequenza fondamentale; questo fa sì che la band si allarghi. Il secondo metodo prevede la stampa di membrane alla base dei risonatori.

“In questo lavoro viene utilizzata una tecnica di fabbricazione innovativa, in cui le membrane sottili sono fabbricate all’interno dei risonatori di Helmholtz, le due unità sono costituite da materiali diversi”, hanno scritto i ricercatori. “La tecnica di produzione presentata potrebbe portare a una rapida prototipazione di metamateriali e contribuire al progresso di questo campo nell’ambiente industriale. Modelli fisici semplici dei metamateriali presentati sono inclusi in ogni sezione, tuttavia questo lavoro si basa principalmente su risultati sperimentali e mira allo sviluppo di metamateriali che potrebbero essere inclusi in dispositivi reali. Le potenziali applicazioni di questo lavoro includono la cancellazione del rumore per dispositivi come cuffie, apparecchi acustici e altri sensori. ”
Il lavoro continua ad avanzare metamateriali acustici in applicazioni come cloaking acustico, focalizzazione del suono e guida d’onda, imaging e computazione, ma i risultati non sono spesso integrati in dispositivi funzionali. Ma se studi come questo dei ricercatori dell’Università di Strathclyde possono essere convalidati, potremmo guardare a cuffie notevolmente migliorate nel prossimo futuro.

Co-autori del documento sono Cecilia Casarini, membro dello studente IEEE, Benjamin Tiller, Carmelo Mineo, Charles N. MacLeod, professore senior IEEE James FC Windmill e Joseph C. Jackson.

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