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3 Akustische Metamaterialien, von denen Sie wahrscheinlich nichts wussten

3 Akustische Metamaterialien, von denen Sie wahrscheinlich nichts wussten


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Metamaterialien sind unglaubliche Leistungen von Technik und Wissenschaft. Durch die spezifische Kombination verschiedener Grundmaterialien können sie verwendet werden, um Dinge wie Licht und Ton auf eine Weise zu manipulieren, die in der Natur nicht zu sehen ist.

Möchten Sie beispielsweise ein Tarngerät bauen? Möglicherweise möchten Sie Metamaterialien verwenden.

Hier untersuchen wir einige grundlegende Merkmale von Metamaterialien und zeigen drei aktuelle Entwicklungen in der Metamaterialwissenschaft.

VERBINDUNG: WISSENSCHAFTLER ENTWICKELN NEUES METAMATERIAL, DAS DIE LEICHTE LEISTUNG EFFEKTIVER GIBT

Was sind Metamaterialien und wie funktionieren sie?

Ein Metamaterial ist ein künstlich strukturiertes Material, das außergewöhnliche elektromagnetische Eigenschaften aufweisen kann, die in der Natur nicht gesehen oder verfügbar sind. Sie wurden erstmals Anfang der 2000er Jahre entwickelt und haben sich seitdem zu einem schnell wachsenden interdisziplinären Forschungs- und Entwicklungsbereich entwickelt.

"Die Eigenschaften von Metamaterialien werden durch Manipulation ihrer inneren physikalischen Struktur angepasst. Dies unterscheidet sie erheblich von natürlichen Materialien, deren Eigenschaften hauptsächlich durch ihre chemischen Bestandteile und Bindungen bestimmt werden." - Encyclopedia Britannica.

Solche Materialien bestehen in der Regel aus zufällig oder periodisch verteilten künstlichen Strukturen, deren Größe und Raum viel kleiner sind als die Wellenlängen der einfallenden EM-Strahlung. Ein häufig vorkommendes Beispiel für Metamaterialien sind Split-Ring-Resonatoren (SRRs).

Wie werden Metamaterialien hergestellt?

Metamaterialien sind eine Form von technischen Materialien, denen Eigenschaften verliehen wurden, die normalerweise in der Natur nicht zu finden sind.

"Sie bestehen aus Baugruppen aus mehreren Elementen, die aus Verbundwerkstoffen wie Metallen und Kunststoffen hergestellt sind. Die Materialien sind normalerweise in sich wiederholenden Mustern in Maßstäben angeordnet, die kleiner sind als die Wellenlängen der Phänomene, die sie beeinflussen." - Wikipedia.

Die Eigenschaften von Metamaterialien leiten sich nicht so sehr von ihren Materialbestandteilen ab, sondern von ihrer endgültigen entworfenen und konstruierten Struktur.

"Ihre präzise Form, Geometrie, Größe, Ausrichtung und Anordnung verleihen ihnen intelligente Eigenschaften, mit denen sie elektromagnetische Wellen manipulieren können: durch Blockieren, Absorbieren, Verstärken oder Biegen von Wellen, um Vorteile zu erzielen, die über das hinausgehen, was mit herkömmlichen Materialien möglich ist." - Wikipedia.

Die Struktur jedes Metamaterials wird durch das natürliche Phänomen bestimmt, mit dem sie manipuliert oder beeinflusst werden sollen. Dies kann sichtbares Licht, Ton oder Elektrizität beeinflussen, um nur einige zu nennen.

Was ist ein negativer Brechungsindex?

Sie sind wahrscheinlich mit dem Konzept der Brechung vertraut, bei der sich das Licht biegt, wenn es durch ein Medium wie Wasser geht. Bei negativen Brechungsindizes wird das Licht, wie der Name schon sagt, beim Übergang von einem Medium mit positivem zu einem Medium mit negativem Index tatsächlich "reflektiert", anstatt gebrochen zu werden.

Metamaterialien mit dieser Eigenschaft werden in der Regel aus periodisch beabstandeten Teilen hergestellt, die als Einheitszellen bezeichnet werden. Diese Zellen sind normalerweise signifikant kleiner als die Wellenlänge der externen elektromagnetischen Strahlung.

Diese Eigenschaft einiger Metamaterialien ermöglicht es Wissenschaftlern und Ingenieuren, beispielsweise eine flache Linse für optische Geräte herzustellen. Diese sind billiger in der Herstellung, normalerweise leichter und können für viele Anwendungen verwendet werden, die über das Fokussieren von Licht hinausgehen.

Was ist negative Permittivität?

Negative Permittivität ist die Messung des Widerstands eines Materials gegen ein elektrisches Feld und seiner Wechselwirkung mit einem dielektrischen Medium. Die Permittivität eines Mediums beschreibt, wie stark ein elektrisches Feld (genauer gesagt Fluss) pro Ladungseinheit in diesem Medium "erzeugt" wird.

Es ist ein Grundprinzip, auf dem Elemente wie Kondensatoren basieren.

"In einem Medium mit geringer Permittivität (pro Ladungseinheit) existiert aufgrund von Polarisationseffekten mehr elektrischer Fluss. Die Permittivität steht in direktem Zusammenhang mit der elektrischen Suszeptibilität, die ein Maß dafür ist, wie leicht ein Dielektrikum als Reaktion auf ein elektrisches Feld polarisiert. Somit die Permittivität bezieht sich auf die Fähigkeit eines Materials, einem elektrischen Feld zu widerstehen. " - researchgate.net.

Daher hat so etwas wie ein Metamaterial mit einer negativen Permittivität einen Widerstand gegen ein bestimmtes elektrisches Feld.

Die Umkehrung der negativen Permittivität wird nicht überraschend als absolute Permittivität bezeichnet. Dies ist das Maß für den Widerstand, der auftritt, wenn in einem bestimmten Medium ein elektrisches Feld erzeugt wird.

Einige Beispiele für akustische Metamaterialien

Akustische Metamaterialien sind, wie der Name schon sagt, künstlich hergestellte Materialien, die speziell zur Steuerung, Steuerung und Manipulation von Schallwellen entwickelt wurden.

Hier sind einige aktuelle Entwicklungen.

1. Dieses Metamaterial kann tatsächlich Ton aufheben

Forschern der Boston University ist es kürzlich gelungen, ein Metamaterial zu entwickeln, das tatsächlich „Ton aufheben“ kann. Ihre ringförmige Struktur war in der Lage, Geräusche auszuschalten und gleichzeitig den Luftstrom aufrechtzuerhalten.

Diese Art von Metamaterial könnte einige interessante Anwendungen als Form der leichten und unauffälligen Schalldämpfung haben. Es kann beispielsweise für Drohnen verwendet werden, um deren Lärm zu unterdrücken, oder als Schalldämmung in Gebäuden.

2. Dieses akustische Metamaterial kann tatsächlich Schall fokussieren

Forscher an den Universitäten von Sussex und Bristol in Großbritannien arbeiten an der Schaffung eines Metamaterials, das den Klang fokussieren kann. Bei Erfolg könnten damit sehr zielgerichtete Lautsprecher oder Mikrofone hergestellt werden.

Sie fokussieren Schallwellen ähnlich wie ein Objektiv Licht fokussieren kann. Und das Beste? Sie bestehen teilweise aus LEGO Steinen!

Dieses als "Vari-Sound" bezeichnete Material könnte auch in Theatern Anwendung finden, in denen die Klangqualität der "billigen Sitze" mit denen vorne oder in der Mitte vergleichbar wäre.

3. Dieses Metamaterial kann Schall transportieren und konzentrieren

Eine Gruppe von Forschern hat erfolgreich ein Metamaterial entworfen, das Schall entlang seiner Ränder transportieren und in seiner Mitte konzentrieren kann. Das Team der City University of New York verwendete das mathematische Feld der Topologie, um das Metamaterial zu entwerfen.

"Um ihr neues Metamaterial herzustellen, verwendeten Alù und seine Forschungspartner einen 3D-Drucker, um eine Reihe winziger Trimere zu erstellen, einen Ring, der aus drei akustischen Resonatoren besteht. Wissenschaftler befestigten die Trimere, um ein dreieckiges Gitter zu bilden." - upi.com.


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Bemerkungen:

  1. Yissachar

    Wacker, es scheint mir, dass es der hervorragende Satz ist

  2. Naomhan

    Ich werde dich an dich erinnern! Ich werde mich mit dir auszahlen!

  3. Arawn

    Ja, es wurde geraten!

  4. Domenico

    Entschuldigung, dass ich Sie unterbreche, würde gerne eine andere Lösung vorschlagen.



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