新方法利用超声波进入封闭的金属空间

水下管道和封闭的核容器内部一直无法进入，直到最近。宾夕法尼亚州立大学工程学院声学研究人员开发了一种方法，利用超声波通过金属壁传递能量和传输通信。

他们在《应用物理评论》上发表了他们的创新成果，这是一种以支柱为基础的声学超材料，在超声频率范围内工作。据研究人员称，这项工作可能对太空研究产生影响。

声学和生物医学工程教授、该论文的通讯作者云静说：“如果你想为管道等金属外壳内的温度传感器等设备供电，超声波可以将能量传递给设备。但之前，这些波无法穿过会阻挡声音的金属屏障，除非换能器与屏障直接接触。”

图片:acoustic-invention-enh-2.jpg

研究人员创造了一种基于柱子的超材料：一系列微小的圆柱形柱子，放置在金属板上作为谐振器，通过振动或振荡产生声共振。

当超材料位于换能器发射器和接收器之间时，它大大提高了通过金属屏障的超声波功率传输速率，而不需要换能器和屏障之间的直接接触。以前，微弱的超声波可以通过金属，但它们缺乏足够的能量来为传感器供电或通过金属传递信息。

第一作者Jun Ji说：“这种声学超材料设计成柱状，一端窄，一端宽，就像声学谐振器。这种超材料的形状允许通过金属屏障无线传输和接收超声波”。他最近在宾夕法尼亚州立大学获得了声学博士学位。

图片:acoustic-invention-enh.jpg

研究人员在两个实验中测试了超材料样品的功能。在第一个实验中，他们使用超声波发射器和接收器通过金属板和超材料无线传输电力，成功地为另一侧的LED灯供电。这证实了超材料通过金属墙传输电力的能力。

在第二个测试案例中，他们通过一块金属板用编码的超声信号传输了字母“PSU”的图像，证实了使用超材料加强超声波通过金属屏障的传输可以实现通信。

Ji教授解释说，封闭空间的无线通信和电力可以为工程师在多个领域提供解决方案，例如太空探索。例如，携带来自其他行星样本的金属容器需要无线替代方案来维持电力和通信。

Ji说：“为了避免带回地球的样本受到潜在污染，容器需要无线传感器来识别和传达压力泄漏”。

Ji说，超声波通信——加上超材料——可能是将样本在采集时的状态下送回地球的解决方案。

相关链接：https://phys.org/news/2024-02-acoustic-ultrasound-access-enclosed-metal.html