利用多材料 3D 打印摺紙超穎表面實現聲音的可重構操控

核心概念

本研究提出了一種基於摺紙的可重構聲學超穎表面，利用多材料 3D 打印技術實現，能夠對聲波進行可編程操控，實現聲束聚焦和分離等功能。

摘要

研究背景

聲波的形塑在聲學工程中至關重要，而聲學超穎材料和超穎表面 (AMMs) 作為一種人工材料，為操控聲音提供了強大的構建模塊。然而，傳統的 AMMs 通常使用熔融沉積成型 (FDM) 3D 打印技術製造，這在創建可重構結構方面存在挑戰。

研究方法

本研究提出了一種基於 Kresling 摺紙圖案的新型可重構超穎表面，設計用於在 2000 Hz 的工作頻率下對聲波進行可編程操控。該摺紙單元採用多材料 3D 打印技術製造，允許同時打印兩種具有不同機械性能的材料，從而創建雙穩態摺紙結構。通過優化，兩個平衡狀態通過施加小的軸向力 F 或扭矩 T 來實現 π 的反射相位差。由這兩個平衡狀態的不同組合產生的超穎表面的各種配置，可以實現具有可切換和可編程功能的不同反射行為。

研究結果

數值模擬和實驗結果表明，該摺紙單元在兩個平衡狀態下可以分別實現 π 的反射相位差。通過將多個摺紙單元組合成超穎表面，並通過編程控制每個單元的狀態，可以實現聲束聚焦和分離等功能。

研究結論

這項工作為開發基於摺紙的可重構聲學超穎表面提供了一種新穎有效的方法，並展示了其在聲波操控方面的潛力。這種方法利用多材料打印技術，通過簡單的機械機制簡化了聲波的形塑，無需複雜的控制系統和耗時的調整。

統計資料

該摺紙單元的工作頻率為 2000 Hz。
兩個平衡狀態之間的反射相位差為 π。
超穎表面由八個相同的雙穩態摺紙單元組成。
聲束聚焦的焦距為 65 mm。
聲束分離的轉向角為 20°。

引述

“通過優化，兩個平衡狀態通過施加小的軸向力 F 或扭矩 T 來實現 π 的反射相位差。”
“由這兩個平衡狀態的不同組合產生的超穎表面的各種配置，可以實現具有可切換和可編程功能的不同反射行為。”
“該摺紙單元在兩個平衡狀態下可以分別實現 π 的反射相位差。”
“通過將多個摺紙單元組合成超穎表面，並通過編程控制每個單元的狀態，可以實現聲束聚焦和分離等功能。”

從以下內容提煉的關鍵洞見

Reconfigurable Manipulation of Sound with a Multi-material 3D-Printed Origami Metasurface

by Dinh Hai Le,... 於 arxiv.org 11-20-2024

https://arxiv.org/pdf/2409.17522.pdf

深入探究

這種基於摺紙的可重構聲學超穎表面在其他領域，例如噪聲控制、聲學成像和醫療超聲，有哪些潛在應用？

這種基於摺紙的可重構聲學超穎表面在噪聲控制、聲學成像和醫療超聲等領域具有廣泛的潛在應用：

噪聲控制：

主動降噪： 通過調整超穎表面的摺疊狀態，可以動態地改變其聲反射和透射特性，從而實現對特定頻率噪聲的有效抑制。例如，可以將其應用於耳機、汽車和飛機等場景，以消除環境噪音。
聲學隔離： 通過設計特定的摺疊模式，可以使超穎表面在特定方向上形成聲障，從而阻隔噪聲傳播。例如，可以將其應用於建築隔音材料、道路隔音屏障等方面。

聲學成像：

聲學透鏡： 通過調整超穎表面的形狀，可以實現對聲波的聚焦和偏轉，從而提高聲學成像的分辨率和靈敏度。例如，可以將其應用於醫療超聲成像、無損檢測等領域。
聲全息術： 通過設計複雜的摺疊模式，可以使超穎表面產生特定的聲場分佈，從而實現聲全息成像。

醫療超聲：

超聲治療： 通過將超穎表面聚焦超聲波，可以將能量集中到病灶區域，實現非侵入式的治療，例如腫瘤消融、碎石等。
藥物遞送： 通過超聲波與超穎表面的相互作用，可以控制藥物的釋放速度和位置，提高藥物治療的靶向性和效率。

如何提高這種超穎表面的工作頻率範圍和操控精度？

提高這種超穎表面的工作頻率範圍和操控精度可以從以下幾個方面入手：

材料選擇： 探索具有更低聲阻抗和更高聲速的材料，例如新型聚合物、複合材料等，以拓寬超穎表面的工作頻率範圍。
結構設計：

單元尺寸： 減小單元尺寸可以提高超穎表面的工作頻率上限。
摺疊模式： 設計更精細、更複雜的摺疊模式，可以實現對聲波更精確的操控。
多層結構： 採用多層超穎表面結構，可以增加設計自由度，實現更寬頻帶和更精確的聲波操控。

製造工藝： 提高3D打印的精度和分辨率，可以製造出更精細的超穎表面結構，從而提高其性能。
控制系統： 開發更精確、更快速的控制系統，可以實現對超穎表面形狀的實時動態調整，從而提高其操控精度。

未來是否可以開發出更加複雜的三維摺紙結構，以實現更精確和多功能的聲波操控？

是的，開發更加複雜的三維摺紙結構是實現更精確和多功能聲波操控的重要方向。

三維摺紙結構： 相較於二維平面結構，三維摺紙結構可以提供更多的設計自由度，例如可以設計出具有不同曲率、不同孔隙率的結構，從而實現對聲波更精確的調控。
多功能集成： 可以將多種功能集成到一個三維摺紙結構中，例如將聲學超穎表面與聲學傳感器、聲學換能器等集成在一起，實現聲波的感知、操控和能量轉換等多種功能。
智能響應： 可以利用智能材料和結構設計，開發出可以根據環境變化自動調整形狀的智能聲學超穎表面，例如利用形狀記憶合金、電活性聚合物等材料，實現對聲波的自適應操控。
總之，基於摺紙的可重構聲學超穎表面具有巨大的應用潛力，未來通過材料科學、結構設計、製造工藝和控制系統等方面的協同發展，必將推動聲學領域的技術革新和應用拓展。