Yeni keşfedilen ses dalgası saçılma kuralı, daha az hacimli, daha etkili ses yalıtımına yol açabilir

Çin’deki araştırmacılar yakın zamanda sesin bir malzemenin belirli fiziksel özelliklerine göre nasıl dağıldığını belirleyen kuantumdan ilham alan bir kuralı ortaya çıkardı. Araştırmaları şu dergide yayınlandı: Fiziksel İnceleme Mektuplarıoptimum geniş bant ses engelleme özelliğine sahip malzemeler tasarlama becerisine yol açabilir.

Akustik metamalzeme mühendisliğini düzenleyen kurallar

Akustikteki kütle kanunu, bir duvar ne kadar yoğunsa ses dalgalarını o kadar etkili bir şekilde engellediğini söylüyor. Daha spesifik olarak, birim alan başına kütlenin her iki katına çıkmasıyla ses iletim kaybı yaklaşık 6 desibel artar. Ancak bu yasa her zaman geçerli değildir. Akustik metamalzemeler, sesi geleneksel kütle yasasını ihlal edecek şekilde işleyebilir, ses gizleme ve mükemmel emilim gibi uygulamalara olanak tanır.

Akustik metamalzemeler, ses dalgalarını doğal malzemelerle mümkün olmayan şekillerde manipüle etmek, yönlendirmek ve kontrol etmek üzere tasarlanmıştır. Bu malzemeler, negatif kütle yoğunluğu veya negatif kırılma indeksi gibi egzotik özellikler elde etmek için periyodik “birim hücreler” kullanılarak dalga boyu altı ölçekte tasarlanmıştır ve aşırı gürültü engellemeye ve ses yönlendirmeye olanak tanır.

“Aslında metamalzemeler, diğer frekanslardaki durumların yoğunluğundan yararlanarak geniş bir dinamik özellikler yelpazesi oluşturmak için belirli bir ilgi alanı içindeki modları yoğunlaştırabilir. Bu, dalga gibi heyecan verici uygulamalara olanak tanır.
odaklanma, gizleme, görüntüleme, cımbızlama ve mükemmel emilim. Bununla birlikte, kütle yasası, malzemelerin nedensel dağılımını göz ardı eder ve aşırı düşük frekanslarda (sertlik kontrol bölgesi) veya aşırı yüksek frekanslarda (yüksek dereceli modların ortaya çıktığı yerlerde) uygulanamaz olabilir.” diye yazdı yeni çalışmanın yazarları.

Metamalzeme mühendisliği sıklıkla rezonansa dayandığından, frekanslar arası performansta doğal kısıtlamalar vardır. Özellikle, bir malzemenin fiziksel özelliklerini, sesi tüm frekanslarda engelleme veya dağıtma yeteneğine bağlayan bilinen bir evrensel kural yoktu.

Kuantum kuralının akustik benzetmesi

Araştırmacılar, bir meta materyalin bir frekans aralığındaki performansını artırmanın diğer frekans aralığını nasıl etkileyeceğini bulmak istediler. Bunu yapmak için, kuantum fiziğindeki Baldin toplam kuralının bir analojisi olarak hizmet eden, akustik saçılımı yöneten bir toplam kuralı türettiler. Baldin toplam kuralı, atom altı parçacıkların “katılığı” veya polarize edilebilirliğini, olası tüm frekanslarda radyasyonu nasıl absorbe ettikleriyle ilişkilendirir ve bir çekirdeğin yalnızca belirli miktarda foton saçabildiğini gösterir. Bir çekirdek bir frekans aralığında daha fazla foton saçtığında, diğer frekans aralıklarında daha az foton saçması gerekir.

Akustik versiyon, bir malzemenin ses dalgalarını dağıtma yeteneğinin temelde statik kütlesi ve sertliği ile sınırlı olduğunu gösterdi. Bu, bir frekans aralığında daha fazla akustik dalganın saçılması durumunda, diğerinde daha azının saçılması anlamına geliyordu.

Ekip ayrıca Helmholtz ve dipol rezonatörleri de içeren klasik akustik metamalzeme tasarımlarının sayısal simülasyonlarıyla ve ardından hava kanallarındaki üç tip rezonatör üzerinde deneysel testlerle sonuçları doğruladı. Deneyler için ses iletimini ölçtüler ve toplam kuralından elde edilen tahminlerle karşılaştırdılar. Bu ölçümler ve tahminler birbiriyle eşleşerek toplam kuralının işe yaradığını doğruladı ve aynı zamanda geleneksel tasarımlara göre daha geniş ses engelleme bant genişliği gösterdi.

Çalışmanın yazarları şöyle açıklıyor: “Akustik Baldin toplamı kuralı, tahmine yönelik bir araç olarak hizmet ediyor: Düşük frekanslı σext’i maksimum düzeyde bastırarak, saçılma kaynakları daha yüksek frekanslara yeniden dağıtılıyor ve operasyonel bant genişliği genişletiliyor.”

Çalışma tek boyutlu ses yayılımına odaklansa da araştırmacılar, çerçevenin 2 boyutlu ve 3 boyutlu sistemlere genişletilebileceğini ve potansiyel olarak bir dizi akustik teknolojiyi etkileyebileceğini söylüyor. Çalışmanın potansiyel uygulamaları, binalar, araçlar ve endüstriyel ortamlar için geliştirilmiş ses geçirmezlik malzemeleri, havalandırma sistemleri için daha verimli ve kompakt susturucular ve hatta tıbbi ultrason veya sonar teknolojilerinde kullanım dahil olmak üzere geniş kapsamlıdır.