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聲波互易定理被打破 自動(dòng)駕駛車(chē)輛通信得到改善

汽車(chē)玩家 ? 來(lái)源:蓋世汽車(chē) ? 作者:余秋云 ? 2020-03-24 16:37 ? 次閱讀

美國(guó)布法羅大學(xué)的研究人員打破了聲波互易定理,讓聲波可以在發(fā)出與返回時(shí)不一致,或許可以改善自動(dòng)駕駛汽車(chē)之間的通信

蓋世汽車(chē)訊 在物理學(xué)中,聲波的前進(jìn)方向與后退方向總是一致的,這很好,除非聲波遇到障礙物(如摩天大樓、風(fēng)、人),導(dǎo)致它們失去了能量。不過(guò),如果能夠打破該規(guī)則,在障礙物周?chē)龑?dǎo)聲波,或者讓一個(gè)物體完全吸收特定方向的聲波,將能夠改變電子、光子和聲學(xué)設(shè)備的設(shè)計(jì)和使用方式。

(圖片來(lái)源:紐約州立大學(xué)布法羅分校)

據(jù)外媒報(bào)道,紐約州立大學(xué)布法羅分校(University at Buffalo)的工程師們就朝著這個(gè)方向邁出了一步,在一個(gè)稱(chēng)為“時(shí)空變化超材料”(spacetime-varying metamaterials)的新興領(lǐng)域從事研究,工程師們已經(jīng)演示了破壞聲波的互易定理。

布法羅分校工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院機(jī)械與航空航天工程助理教授兼該項(xiàng)目的首席研究員Mostafa Nouh博士表示:“我們已經(jīng)通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明,在聲波中打破材料特性隨著時(shí)間和空間同時(shí)改變的互易定理是有可能的。”

為進(jìn)行實(shí)驗(yàn),Nouh與學(xué)生們打造了一個(gè)由普通熱塑性塑料(丙烯腈丁二烯苯乙烯,ABS)條制成的橫梁,而塑料條配有20個(gè)矩形鋁制諧振器

工程師們利用馬達(dá)對(duì)每個(gè)諧振器進(jìn)行編程,每四個(gè)諧振器成對(duì)排列,以45度角的間隔進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。例如,第一個(gè)諧振器是0度,第二個(gè)是45度,第三個(gè)是135度。下一組的四個(gè)諧振器重復(fù)同樣的模式,以此類(lèi)推。

此種旋轉(zhuǎn)既考慮到空間因素(45度角間隔),也考慮到時(shí)間因素(不同角度定向的毫秒數(shù)),因此得名為時(shí)空變化超材料。

當(dāng)旋轉(zhuǎn)的諧振器被激活后,會(huì)看起來(lái)其像汽車(chē)活塞一樣旋轉(zhuǎn),而不是上下跳動(dòng)。不過(guò),旋轉(zhuǎn)是為了改變橫梁的“剛度”,即抵抗外力變形的能力。

在對(duì)該橫梁進(jìn)行測(cè)試之前,研究小組進(jìn)行了計(jì)算機(jī)模擬,預(yù)測(cè)了在剛度快速變化的情況下,此種相互作用會(huì)被打破。換句話說(shuō),諧振器旋轉(zhuǎn)得越快,破壞互易定理的可能性就越大。

因此,工程師們將馬達(dá)的轉(zhuǎn)速提高到了2000 rpm。為了驗(yàn)證該速度是否足夠快,工程師們通過(guò)一個(gè)壓電致動(dòng)器將振動(dòng)(聲波)傳送到該橫梁中。Nouh和學(xué)生們使用了一臺(tái)掃描激光多普勒測(cè)振儀以及一臺(tái)熱成像攝像頭(確保溫度的輕微波動(dòng)不會(huì)影響到試驗(yàn)),發(fā)現(xiàn)聲波返回到發(fā)出聲波地點(diǎn)的模式與最初發(fā)出聲波的過(guò)程大相徑庭。

在另一項(xiàng)測(cè)試中,諧振器的轉(zhuǎn)速僅為100 rpm,該橫梁的剛度幾乎沒(méi)有變化。Nouh和學(xué)生們發(fā)現(xiàn),聲波返回到發(fā)出聲波地點(diǎn)的模式與之前發(fā)出的方式一樣,說(shuō)明互易定理沒(méi)有被打破。

以此種方式操縱聲波,是首例概念證明,可能會(huì)有許多用途。例如,可以打造一堵墻,讓聲音可以輕易從某一個(gè)方向穿過(guò),但是不能從相反的方向穿過(guò);還可以改善自動(dòng)駕駛汽車(chē)之間的通信方式;可以提高通過(guò)超聲波進(jìn)行醫(yī)學(xué)成像的分辨率,因?yàn)榇朔N醫(yī)學(xué)成像通常會(huì)受到一種稱(chēng)為“反射偽影”現(xiàn)象的限制,可能導(dǎo)致醫(yī)生誤解圖像。

不過(guò),Nouh提醒表示,實(shí)驗(yàn)室成果還沒(méi)有做好商業(yè)化的準(zhǔn)備。例如,該團(tuán)隊(duì)制造的橫梁很大,可能需要利用3D打印或其他納米制造工具將其縮小。此外,該團(tuán)隊(duì)使用的材料升溫過(guò)快,如果要解決該問(wèn)題,可能需要采用更先進(jìn)、更昂貴的材料。

聲明:本文內(nèi)容及配圖由入駐作者撰寫(xiě)或者入駐合作網(wǎng)站授權(quán)轉(zhuǎn)載。文章觀點(diǎn)僅代表作者本人,不代表電子發(fā)燒友網(wǎng)立場(chǎng)。文章及其配圖僅供工程師學(xué)習(xí)之用,如有內(nèi)容侵權(quán)或者其他違規(guī)問(wèn)題,請(qǐng)聯(lián)系本站處理。 舉報(bào)投訴
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