麻省理工學院（MIT）的研究人員開發出一種設計框架，用於控制超音波在微尺度聲學金屬材料中的傳播，重點是微尺度球體在晶格中的精確定位。這種方法可實現可調波速和響應，適用於超音波成像和機械計算等領域。

一項新的研究提出了在微觀聲學超材料中控制超音波傳播的設計框架。 研究人員重點研究了一種帶有”支撐立方體”設計的支撐立方體晶格。 圖片來源：研究人員提供

聲學超材料是一種專門設計的材料，其結構經過精心設計，可以控制聲波或彈性波在其中的運動方式。 雖然研究人員已經透過電腦模型和理論研究對這些材料進行了探索，但迄今為止，創建實體版本還僅限於大型結構和低頻應用。

“超材料的多功能性–既輕巧又堅固，同時還具有可調的聲學特性–使其成為極端條件下工程應用的最佳候選材料，”羅伯特-諾伊斯職業發展講座教授兼麻省理工學院機械工程助理教授卡洛斯-波特拉解釋。 “但高頻聲學超材料的微型化和表徵方面的挑戰阻礙了實現具有超音波控制能力的先進材料的進程。”

波特拉與麻省理工學院機械工程系的雷切爾-孫（Rachel Sun）、傑特-萊姆（Jet Lem）和凱雲（Yun Kai），以及美國能源部堪薩斯城國家安全園區的華盛頓-德利馬（Washington DeLima）最近共同開發了一種新的設計框架，用於控制微觀聲學超材料中的超音波。 他們的研究成果發表在Science Advances期刊上，論文題為”透過慣性設計在微尺度超材料中客製化超音波傳播”（Tailored Ultrasound Propagation in Microscale Metamaterials via Inertia Design）。

波特拉說：”我們的工作提出了一個基於精確定位微尺度球體的設計框架，以調整超音波如何穿過三維微尺度超材料。具體來說，我們研究了在超材料晶格中放置微觀球體如何影響超音波在整個晶格中的傳播速度，最終導致導波或聚焦反應。

麻省理工學院機械工程助理教授Carlos Portela（右）和Rachel Sun 在Portela 的實驗室。 圖片來源：Tony Pulsone/MIT MechE

透過非破壞性的高通量雷射超音波表徵，研究團隊在實驗中展示了微米級材料中可調諧的彈性波速。 他們利用不同的波速對微米級材料中的波傳播進行空間和時間上的調整，同時也展示了一種聲學解復用器（一種將一個聲學訊號分離成多個輸出訊號的裝置）。 這項工作為微米級設備和元件鋪平了道路，這些設備和元件可用於超音波成像或透過超音波傳輸訊息。

波特拉說：”利用簡單的幾何變化，這個設計框架擴展了超材料的可調動態特性空間，從而能夠直接設計和製造微尺度聲學超材料和裝置。”

這項研究也提高了微尺度聲學超材料的實驗能力，包括製造和表徵，使其能夠應用於醫學超音波和機械計算領域，並強調了超材料中超音波傳播的基本力學原理，透過簡單的幾何變化調整動態特性，並將這些變化描述為質量和剛度變化的函數。 更重要的是，該框架適用於微觀尺度以外的其他製造技術，只需一種組成材料和一個基本的三維幾何形狀，就能獲得基本可調的特性。

“這個框架的美妙之處在於，它從根本上將物理材料特性與幾何特徵聯繫起來。 透過將球形質量放置在類似彈簧的晶格支架上，我們可以直接類比出質量如何影響準靜態剛度和動態波速，”研究的第一作者Sun說。 “我意識到，無論我們是振動還是緩慢壓縮材料，我們都可以獲得數百種不同的設計和相應的材料特性”。

編譯自/ ScitechDaily