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Ciao e benvenuti a lezione 32 nella settimana 7 di questo corso su Materiali Acustici e Metamateriali. Nel corso di oggi discuteremo di alcuni Vantaggi e Applicazioni di Membrane Type Acoustic Meta Materials. Così, fino ad ora abbiamo discusso di più sul principio fondamentale di lavorare di questi metamateriali acustici di tipo membrana.
(Riferimento Slide Time: 00.49)

Così, abbiamo studiato come quando abbiamo una cella unitaria con una membrana allungata come si comporta e risponde, e come fa, come è in grado di bloccare il suono. Allo stesso modo, abbiamo studiato come la cellula unitaria, dove si ha una membrana allungata con qualche massa attaccata. In quel caso come si comporta e in quali regioni queste cellule unitari diventavano avere una densità di massa effettiva negativa.
E in quella regione improvvisamente queste membrane apparentemente sottili sono in grado di non permettere che le onde sonore passino. Quindi, non otteniamo un'onda propagante, perché ρ diventa negativa; quindi il che significa che, il vettore di propagazione è negativo. Così, abbiamo studiato i principi di base qui e in questa classe saremo più sulle applicazioni e i vantaggi generali e gli svantaggi di questi materiali.

Così, inizieremo con come le celle unitari sono disposte a formare uno strato di materiale. Quindi, se andate qui, inizieremo con come queste cellule unitarie sono disposte a formare i metamateriali, e poi quali sono i vantaggi e poi le potenziali applicazioni di questi metamateriali acustici di tipo membrana. Così, qui la prima disposizione è stata proposta da Lee et al. La fonte è fornita qui, Lee et al 2009.
(Riferimento Slide Time: 02.03)

Allora, qui quello che hai è che, stavamo discutendo della membrana che faceva parte di un pesante di una lunga guida d'onda. Quindi, hai tubi cavi, tubi densi cavi con membrana allungata in mezzo tra. Così, il modo in cui ha proposto questa disposizione è che, si hanno questi sono i due insiemi di waveguide.
Quindi, questa è la forma. Quindi, se si prende la vista laterale, questo diventa una forma di una particolare sezione della guida d'onda e questo diventa una sezione dell'altra. Ecco, queste sono le due sezioni quando sono combinate insieme e questa parte una contiene una membrana attaccata sopra. Quindi, questa è solo una visione tagliata di questo. Quindi, la membrana è attaccata sopra di essa e poi è attaccata alla parte inferiore ed è realizzata in una stretta disposizione fissa.
Quindi, si ottiene una cella unitaria. Quindi, se si fa di nuovo lo stesso processo e di nuovo. Quindi, diciamo, avete attaccato questo particolare elemento sopra di esso; ma in fondo anche la forma è curata in modo tale che questa forma la inserirà anche in fondo. Ecco, questo è il tipo di disposizione e questa forma è complementare alla forma sopra indicata.

Quindi, quando si organizza questo. Quindi, qui elemento 1, elemento; quindi diciamo che questo è elemento 1, e questo è elemento 2. Quindi, elemento 1 sopra di esso abbiamo elemento 2; poi sopra di esso si ripete l'elemento 1, poi si ripete l'elemento 2. Quindi, si tratta di una ripetizione periodica alternativa dell'elemento 1 e 2.
(Riferimento Slide Time: 03.47)

Quindi, vedete qui, questo è l'elemento 2 seguito dall'elemento 1 seguito da un nuovo elemento 2. Così, come potete vedere qui questo è l'elemento 2; inizia da qualche parte qui. Quindi, questo è l'elemento 2, poi abbiamo elemento 1, 2 e poi 1 e così via. Quindi, questi due elementi sono disposti in serie. Quindi, uno sopra l'altro e quando continuate a collegarli e a fissarli insieme, alla fine si otterrà una lunga guida d'onda e nella guida d'onda ci saranno membrane allungate che si verificano a intervalli regolari.
Così, le membrane stirate si verificeranno a intervalli regolari. Quindi, si ottengono celle di tale unità. Quindi, tutto questo, quindi qui da qui fino a qui diventa una cella unitaria e similare da qui fino a qui diventa un'altra cella unitaria, e da qui fino a qui diventa un'altra cella unitaria.
Quindi, questa è la cella unitaria 1, cella unitaria 2, cella unitaria 3 e così via.
Quindi, si hanno delle lunghezze d'onda così lunghe attaccate e la cella unitaria viene ripetuta di nuovo e di nuovo ripetendo alternando due elementi principali; e dove qui l'elemento 2 contiene una membrana allungata ed è fisso all'interno di elemento 1 e così via.
(Riferimento Slide Time: 05.27)

Allora, come fa, come si aiuta. Quindi, si tratta di una connessione di serie di queste cellule di unità.
Ed è stato proposto come ho detto da Lee et al. 2009 e questa è la risorsa qui. Quindi, se hai una serie così lunga di elementi, questo può essere come una linea di trasmissione acustica o un tubo.
Quindi, se hai qualche fonte di rumore qui.
Quindi, diciamo che abbiamo qualche fonte di rumore pesante a un fine, e sta emettendo suoni ad alta voce a quasi tutte le frequenze. Quindi, hai una fonte di rumore ad alta voce. Poi potete allegare questa linea di trasmissione e all'altra estremità avete attaccato un materiale poroso, un assorbitore poroso; così questo particolare sappiamo che, questa è una cella unitaria che contiene una membrana allungata.
E sappiamo che questo particolare tipo di cellula unitaria si comporta in modo tale che, dal 0 fino alla sua frequenza naturale ha densità negativa e quindi, dal 0 fino a un determinato limite di frequenza, non consente l'onda di propagarsi. E questa frequenza naturale dipende dalla rigidità della membrana e dalla massa della membrana. Quindi, se possiamo manipolare la rigidità e la massa.
Quindi, diciamo che possiamo manipolare la rigidità e la massa, in modo che la frequenza naturale f0 = 1000 Hz; perché fino a 1000 Hertz è la regione dove il controllo del rumore è molto difficile. Quindi, se possiamo manipolare queste membrane in modo tale che, la loro rigidità e le loro masse, tanto che; perché

f0 = 1 2π
√ km m

Così, possiamo aumentare il valore di rigidità, diminuire il valore di massa e così via che si arriva a circa 1000 Hertz o così via.
Quindi, possiamo farcela in questo modo. Così, quando la fonte di rumore è incidente, taglia la prima parte taglia tutte le frequenze, non consente alcun contenuto compreso tra 0 e 1000 Hertz e poi è passato solo il contenuto ad alta frequenza. E poi all'altra estremità abbiamo un assorbitore poroso e abbiamo già studiato qual è la caratteristica di un assorbitore poroso. Un assorbitore poroso tipicamente. Quindi, questo è per un assorbitore poroso, tipicamente permette; questo è il tipico tipo di alfa versus frequenza.
Quindi, di solito a basse frequenze fino a 1000 Hertz o così; le prestazioni sono basse, non sono in grado di bloccare i suoni, non sono in grado di dissipare i suoni. Ma improvvisamente oltre questo hanno una performance da 0,82 a circa 0,95 o così via, un buon assorbitore. Quindi, ad alte frequenze sono in grado di assorbire bene.
Quindi, quello che ci facciamo efficacemente è che, questa particolare porzione è responsabile del controllo del rumore fino ad una certa frequenza, quindi tutti i rumori a bassa frequenza. E questo f0 può essere manipolato per essere qualsiasi valore di diciamo 500, 1000 e così via. Quindi, il controllo del rumore a bassa frequenza avviene usando la prima parte e poi il controllo del rumore ad alta frequenza avviene oltre questo intervallo utilizzando l'assorbitore poroso.
Così, alla fine quello che otteniamo. Quindi, se elimino questo solo per renderlo chiaro. Così, alla fine quello che otteniamo, otterremo un controllo completo del rumore. Quindi, il rumore per tutta la frequenza, tutta la gamma di frequenza udibile viene tagliata e otteniamo un silenzio completo. Quindi, questo è come una sorta di proposta in cui otteniamo un perfetto materiale di riduzione del rumore sia per basso che per alta frequenza, ok.

(Riferimento Slide Time: 09.11)

Altri accordi di questo tipo sono stati proposti; qui abbiamo avuto due diversi elementi a forma irregolare che sono stati cliccati, che sono stati fissati insieme per fare in onda in serie. Possiamo anche avere alcune strutture simmetriche, quindi questo mostra di nuovo una vista tagliata su un'altra linea di trasmissione acustica che è stata proposta da. Così, questo è stato proposto da Bongard et al. 2010, una versione più recente.
Quindi, qui si ha anche una linea di trasmissione e questi singoli, questi sono i singoli elementi in cui si ha la membrana attaccata tra e così via. E questi elementi sono collegati tra loro e una lunga linea di trasmissione può essere formata in serie, ok.

(Riferimento Slide Time: 09.53)

Un'altra disposizione è quando possono essere attaccate in parallelo; quindi non necessariamente in serie, ma possono essere attaccate in parallelo. E quello che si ottiene è che qui la disposizione è proposta da Huang et al. 2016, è una forma di disposizione più recente. Quindi, qui avete tutti questi corrisponde alle diverse celle unitari. Quindi, hai cell cell 1, 2, 3, 4, 5, 6, così via e sono disposti in una struttura parallela. E quello che hai è che, qui hai le membrane sia sulla direzione x che sulla direzione y. Quindi, questa è la membrana, questo ci fa dire la direzione x. Così, questo diventa il x e questo diventa il y.
Quindi, normale a x abbiamo il piano x e normale a y abbiamo il piano y. Quindi, qui le membrane lungo il piano y, quindi questa membrana, questa membrana, questa membrana e così via; le membrane che sono nei colori più scuri. Quindi, qui lo spessore sarà diverso dove hanno un valore superiore; e le membrane che sono perpendicolari al piano x, hanno un valore di spessore inferiore.
Quindi, i parametri di membrana sono diversi per diverse direzioni, in modo da ottenere un diverso controllo del rumore in direzione diversa. Ecco, questo è il tipo di disposizione innovativa che è stata proposta.

(Riferimento Slide Time: 11.19)

Così, un breve riassunto prima di entrare nei vantaggi e nelle applicazioni è che; tale tipo di membrana tipo di metamateriali acustici possono manipolare i suoni usando il principio della densità negativa. E poi è per questo che sono termati come densità negativa

metamateriali. E la cella unitaria è una membrana allungata all'interno di una guida d'onda subonda, con o senza qualche massa ad esso attaccata.

(Riferimento Slide Time: 11.39)

Allora, quali sono alcuni dei loro vantaggi? Il primo vantaggio che abbiamo già studiato era che, si sta ottenendo una densità effettiva negativa in un'ampia regione. Quindi, non si ottiene una densità effettiva negativa nella regione più piccola come solo a determinate frequenze; si ottiene una gamma di frequenze a banda larga. Quindi, per il primo tipo di cella unitaria, si ottiene una densità negativa tra 0 alla sua frequenza naturale; per il secondo tipo si ottiene densità negativa:

f0 ≤ f ≤ f0 √ M + m

Quindi, stiamo ottenendo una vasta gamma di regioni in cui la densità sta diventando negativa.
Quindi, il risultato è che, queste membrane apparentemente sottili ed elastiche che sono quasi acusticamente trasparenti. Quindi, se si vede una membrana allungata, vedrete che è una struttura molto sottile e leggera; sembra quasi acusticamente trasparente.
Ma la bellezza della fisica è che, un tale tipo di strutture trasparenti diventano perfetti wave bloccanti o perfetti bloccanti di onde sonore in una banda larga della sua densità effettiva negativa. Quindi, ora si ottiene un controllo del rumore a banda larga in regione a bassa frequenza.
(Riferimento Slide Time: 12.53)

Quindi, la regione di densità effettiva negativa ora dipende. Così, abbiamo scoperto che, nella vasta gamma di densità negativa saranno in grado di bloccare perfettamente il suono. E cosa dipende da questa regione o dalla gamma di frequenza; dipende dalla densità superficiale della membrana e dallo spessore della membrana, quindi questo ti dà la massa della membrana.
Allo stesso modo, quindi dipende dalla densità di superficie e dallo spessore della membrana; allo stesso modo dipende anche da quella che è la tensione applicata alla membrana.

Quindi, complessivamente dipende dalla rigidità della membrana e dalla massa della membrana, e la rigidità a turno dipende dalla tensione applicata alla membrana, dal modulo di Young, e dal rapporto di Poisson del materiale utilizzato per la membrana.
E analogamente dipenderà anche dalla densità della massa attaccata. Quindi, quello che vedete qui. Ecco, questa è la terza quantità che è il valore di massa che si attacca alla membrana. Ecco, questi sono i vari parametri che vengono utilizzati per governare la risposta di tali strutture.
(Riferimento Slide Time: 13.57)

E come potete vedere questo è uno dei parametri esterni, che non è intrinseco alla costruzione a membrana.

(Riferimento Slide Time: 14.07)

.

Quindi, ecco perché offrono una cosa chiamata sintonia. Quindi, il che significa che, in questi casi ciò che accade è che la frequenza di risonanza. Quindi, la sintonia è la caratteristica in cui si può sintonizzarsi sulla risposta di una struttura in tempo reale in base a quello che è il rumore in entrata. Quindi, se abbiamo questo tipo di materiale e avete qualche controllo di feedback; quindi potete farlo, potete usarlo per un controllo attivo del rumore dove suppere, l'incidente sonoro che varia e la risposta di frequenza del suono che lo sta facendo varia.
Poi si dispone di qualche meccanismo di misurazione attraverso il quale si può sapere qual è il contenuto di frequenza e poi il ci potrebbe essere un meccanismo attaccato alla membrana che può allungare e de stirare la membrana. Così, questo aumenterà e diminuirà la tensione nella membrana. Quindi, una volta che si ha, una volta che si può sintonizzarsi con un qualche meccanismo esterno a o qualche attuatore esterno per sintonizzarsi su queste membrane, in modo che la loro tensione possa essere variata in tempo reale.
La risposta della membrana cambierà di conseguenza e da qui sarà possibile ottenere dei perfetti blocchetti sonori, che sono alla cui risposta sono ottimisti in tempo reale, possono essere modificati utilizzando qualche meccanismo esterno. Quindi, questo è un altro vantaggio che è la tunabilità o il controllo del rumore adattativo.

(Riferimento Slide Time: 15.25)

Ora alcuni altri vantaggi sono. Quindi, se vedete qui, dopo questa lezione quando inizieremo e inizieremo la nostra discussione su un altro tipo di metamateriale acustico che viene chiamato cristalli sonori. E sono costituiti da sfere di piombo dure che sono raggruppate in una struttura periodica cuboidale. E analogamente sono stati proposti altri metamateriali che hanno qualche tipo di coiling space di configurazione complesso; poi abbiamo anche un materiale avanzato come il pannello micro - perforato.
(Riferimento Slide Time: 16.11)

Quindi, se lo si confronta con qualche altro materiale avanzato, quello che si vede è che; prima di tutte le membrane sono leggeri, molto più semplici nella costruzione, non è necessario utilizzare qualche microlavorazione di alta fine o alcune macchine di fascia alta per fare questo micro fori o porzioni e qualche tipo di configurazione di alta fine per ottenere questo tipo di struttura di coiling space piuttosto si può fare una costruzione molto semplice, leggerezza.
E ne abbiamo già studiato che, può essere sintonizzato attivamente avendo qualche meccanismo esterno che può allungare e deallungare la membrana. Così, possiamo sintonia attivamente per variare è la risposta in tempo reale. E la più importante è che offre una vasta gamma o una gamma a banda larga, dove la densità diventa negativa e quindi, una regione a banda larga di blocco del rumore a bassa frequenza.
Ecco, questo è dove è molto meglio dei materiali tradizionali, perché i materiali tradizionali non sono in grado di esibirsi a basse frequenze. E qui abbiamo un materiale che può esibirsi a banda larga e che si comporta come un perfetto materiale di barriera, che non permette alcuna propagazione di onde in questa fascia di bassa frequenza.
(Riferimento Slide Time: 17.19)

Quindi, quali potrebbero essere le potenziali applicazioni; un'applicazione è che potrebbe essere utilizzata come filtri e sensori e trasduttori. Quindi, andando ad essere utilizzato come filtro passa alto e i filtri ad alto passaggio sono i filtri che non permettono alle frequenze oltre un certo valore, quindi che permette solo alle frequenze oltre un certo valore di passare. Quindi, hai qualche frequenza di taglio e frequenze superiori a cui possono passare.

E questo può essere fatto usando il primo tipo di metamateriale acustico a membrana, quindi dove si ha solo una membrana. Quindi, sai che bloccherà tutti i suoni fino a una frequenza f0, oltre la quale può permettere ai suoni di passare. E questo può essere utilizzato per i sintetizzatori del suono e per i mixer audio; soprattutto nell'industria musicale, di solito i segnali a barre sono separati dai segnali di alta pitch e poi possono essere rimescolati insieme per ottenere una migliore qualità del suono.
Nello stesso modo possono essere realizzati i filtri di passaggio della banda, dove le frequenze all'interno di una determinata gamma possono essere lasciate passare o non passare. E questo può essere fatto con il tipo 2 e vengono utilizzati nella trasmissione e nella ricezione wireless, ok.
(Riferimento Slide Time: 18.29)

E le altre applicazioni che ho già discusso sono la riduzione del rumore a bassa frequenza. Quindi, qui la riduzione del rumore a bassa frequenza è soprattutto comune nella riduzione del rumore delle macchine. Quindi, il rumore dei macchinari sono suoni a bassa frequenza, sono grossolani; mentre, il discorso umano, i fischi etcetera sono ad alta frequenza. Quindi, di solito la riduzione del rumore a bassa frequenza viene fatta per rimodulare tutti questi suoni e rendere migliore questo discorso o la comunicazione, quindi per ridurre questo livello di interferenza vocale. Quindi, riduzione del rumore a bassa frequenza o riduzione del rumore delle macchine.
Analogamente può essere fatto un potenziamento della qualità del suono. Il rumore a bassa frequenza anche a un orecchio umano, percepiscono un rumore di frequenza così basso come un suono molto grezzo o grossolano. Quindi, la coarsenessa può essere ridotta riducendo il suo contenuto a bassa frequenza e poi può essere utilizzato

per insonorizzazione. Quindi, se avete, supponete di stemperare le pareti delle case con tale tipo di membrana AMM; poi non permetteranno la propagazione dei suoni a bassa frequenza.
E da qui possono isolare le case da una macchina esterna o dal rumore di costruzione. E infine abbiamo riflettori acustici. Così, come sapete, questi materiali fungono da perfetto materiale di blocco. Quindi, qualunque sia il suono che sta colpendo, non è in grado di propagarsi; il che significa che rifletta indietro. Così, possono agire come riflettori o specchi, e appositamente utilizzati in auditorium o in casa lirica dove si ha qualche musicista o cantanti che si esibisce.
Così, si possono avere queste patch di materiali rivestiti intorno agli auditorium e quando il suono lo colpisce possono essere reindirizzati in base all'angolo del materiale e le macchie dolci possono essere create. Così, anche se qualche musicista o qualche cantante d'opera si esibisce sul palco, i suoni possono essere ascolati anche alla schiena altrettanto bene proprio come si sente ai sedili anteriori.
Perché? Perché ora i suoni possono essere reindirizzati ai sedili posteriori, quindi è così che si può usare.
Quindi, con questo vorrei concludere questa lezione sui vantaggi e le applicazioni.
Grazie.