Dieses neuartige Material kann helfen, Ihr Leben schalldicht

Klimaanlagen, Fahrzeuge und andere Maschinen möglicherweise bald frei von Vibrationen und somit deutlich leiser als bisher, Dank neue so genannte adaptive phononischen Kristalle.

Eine Gruppe von Forschern hat gezeigt, dass durch eine elektrische Parameter eines solchen Materials ändern, kann man es, seine mechanischen Eigenschaften zu ändern und die Art und Weise zu programmieren, was Klang, propagiert abbrechen, Vibration.

Der Fortschritt ist eine Bewegung in Richtung der mechanischen Componentswith frei programmierbaren Eigenschaften und könnte zu viel leiser Haushaltsgeräte. Es könnte auch helfen, vibrationsfreien Mikroskope und optische Präzisionsinstrumente zu entwickeln. [Die 11 verrücktesten Gadgets des Jahres 2014]

Steuerung von Schwingungen

Wenn eine wechselnde Kraft auf einen Punkt eines Volumenkörpers angewendet wird, die umliegenden Gebiete sind ebenfalls betroffen, breitet sich eine Welle zu schaffen, die durch das Objekt. Wenn diese Wellen die Grenzen erreichen, erhalten sie unter bestimmten Bedingungen auf sich selbst, erstellen so genannte stehende Wellen reflektiert.

Diese strukturellen Vibrationen erzeugen Klang, mit der Lautstärke abhängig von Frequenz und Amplitude der Wellen. Zum Beispiel macht eine Trommel ertönt, wenn die Membran schwingt. [Video - Schallwellen machen Tröpfchen Tanz in der Luft]

In ihren jüngsten Arbeiten, die Forscher der Schweizer Eidgenössischen Laboratorien für Materialwissenschaft und Technologie (Empa), ETH Zürich und das Georgia Institute of Technology, versucht, die Steuern, wie die Wellen durch eine solide machen dieses Objekt vibrationsfrei und daher Reisen schalldicht.

Zu diesem Zweck ein Team unter der Leitung von materiellen Ingenieur Andrea Bergamini der Empa 10 angeordnet Platte kleine Aluminium-Zylinder auf einer Aluminium nur Millimeter dicken in einer regelmäßigen Weise.

Diese Art von Struktur gibt es schon seit einiger Zeit und nennt einen phononischen Kristall – eine künstlich geschaffene Material durch die Anordnung bestimmter Elemente zur Steuerung der Klang.

Die Größe und die besondere Stellung der Zylinder blockieren bestimmte Frequenzen durch Interaktion mit und Streuung der Schallwellen durch das Material übertragen werden.

Piezo-Federn

In der Regel sind die Zylinder in phononischen Kristalle direkt auf die Platte mit einem Klebstoff befestigt. Aber Bergamini Team eingefügt kleine Scheiben aus piezoelektrischen Material zwischen der Platte und die Zylinder gefertigt.

Piezoelektrischen Materials erzeugt Strom als Reaktion auf mechanische Belastung und umgekehrt. So kann die mechanischen Materialeigenschaften ändern, indem Sie einfach bestimmte elektrische Parameter.

"Die piezoelektrischen Scheiben, mit denen wir ein keramisches Material mit Metall-Kontakte auf beiden Seiten, zwischen dem Blatt und die Zylinder sind", sagte Bergamini. "Diese Datenträger können elektronisch angeregt werden, spontan ihre Dicke ändern."

Die Forscher fanden heraus, dass durch die Steuerung der Eigenschaften einer elektrischen Schaltung an die Festplatten angeschlossen, sie in der Lage waren, Schwächen und schließlich fast platzen die Verbindung zwischen der Platte und die Zylinder. Und wenn die Verbindung sehr schwach geworden ist, die Wirkung war, als wäre der Zylinder nicht mehr auf die Platte angeschlossen.

In diesem Fall die Zylinder waren nicht mehr in der Lage, den Klang durch den Teller streuen und somit nicht mehr in der Lage, ihn zu blockieren.

"Die lustige Sache, die wir ist gezeigt, dass wenn wir mit unseren Piezos in der richtigen Weise zu spielen, können wir effektiv trennen – mechanisch — der Platte und die Zylinder bei einer bestimmten Frequenz," sagte Bergamini.

Die Analogie des Systems ist die "Basisisolierung" Technik in vielen modernen Wolkenkratzern, um resistent gegen Erdbeben zu machen. Das Gebäude ruht auf Federn so ausgelegt, dass bei bestimmten Frequenzen sie nicht Kraft übertragen werden, verhindert das Gebäude Schütteln wenn ein Erdbeben passiert.

"Das Äquivalent von solchen"Federn"in unserem Fall sind die piezoelektrischen Scheiben. Ihr Vorteil ist, dass durch Ändern der Eigenschaften des elektrischen Stromkreises der Kristall ist mit verbunden – beispielsweise, indem Sie ändern, wie der elektrische Strom durch die Schaltung fließt – wir verändern ihre Steifigkeit "Bergamini sagte.

Auf diese Weise ein typischer phononischen Kristall verwandelt sich in eine adaptive phononischen Kristall – ein Material mit anpassungsfähigen Eigenschaften.

Computergesteuerte

In diesem Experiment war die elektrische Schaltung eine echte analoge, und die Wissenschaftler kontrolliert des Stroms fließt durch sie manuell über einen Drehknopf. Aber sie sagen in der Zukunft, ein Mikrochip wäre vorprogrammiert, der materielle Änderung seiner Eigenschaften bei Bedarf.

"Es ist ein Schritt zur so genannten"programmierbare Material." Solche Materialien – hergestellt aus Metall, Kunststoff und sogar Keramik – gehören einige Elektronik "Bergamini sagte. "Für spezielle Anwendungen und Anforderungen, mit einer elektronischen Schicht des Materials vorteilhaft erweisen."

Ein embedded Computings-Gerät würde bestimmen, ob und wie Wellen in die Aluminiumplatte zu verbreiten dürfen, indem Sie einige elektrische Parameter eines Schaltkreises ändern. Die Schaltung wäre dann ändern die Steifigkeit der das piezoelektrische Element zu erhalten "trennen", die zwei Dinge, die zu seinen beiden Seiten befestigt sind – bis zu dem Punkt wenn keine mechanischer Beanspruchung von der Platte zu den Zylindern übertragen werden könnte, macht das Material vibrationsfrei.

Das heißt, denke leisere Autos.

"Heute ist das Innere unserer Autos oft gefüttert mit weichen Materialien, mit denen die Schwingung der Struktur zu dämpfen und absorbieren Schall absorbieren. Wenn wir erfolgreich waren zu halten, die Struktur von vibrierenden bei akustischen Frequenzen - alles, was Ihr Ohr hören kann, etwas zwischen 20-50 Hz bis ein paar kHz - dann können wir Autos leiser, zu erwarten", sagte Bergamini.

Physiker Fabrizio Scarpa von der University of Bristol in Großbritannien, der nicht an der Studie beteiligt war, nannte das Konzept "wirklich Roman."

"Das Konzept hat potenzielle weitreichende Folgen, weil es die Art und Weise Metamaterialien wurden so weit entwickelt verschiebt. Es sagte möglich, wahre adaptiven Optik basierend auf Ändern der dispersiven Eigenschaften eines Metamaterials auf aktive Weise entwickeln kann, "Scarpa.

Die Herausforderung besteht darin zu prüfen, ob der Ansatz mit anderen Materialien außer nur Piezowerkstoffe funktionieren würde, fügte er hinzu. Aber dennoch, "diese Arbeit öffnet wirklich ein spannendes Gebiet der Erforschung für Forscher in Smart und Metamaterialien" Scarpa sagte.

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