Schalldämmendes Metamaterial, inspiriert von Spinnweben

Schalldämmende Ständerkantel Samvaz (April 2019).

Anonim

(Phys.org) -Spider-Seide ist bekannt für ihre ungewöhnliche Kombination von Leichtigkeit und extrem stark - in einigen Fällen stärker als Stahl. Aufgrund dieser Eigenschaften haben die Forscher Spinnenseide-inspirierte Materialien für mögliche Anwendungen entwickelt, wie z. B. haltbare und dennoch leichte Kleidung, kugelsichere Westen und Fallschirme.

Bisher sind die akustischen Eigenschaften von Spinnennetzen noch nicht erforscht. In einer neuen Studie hat ein Forscherteam aus Italien, Frankreich und Großbritannien ein akustisches Metamaterial (ein Material aus sich periodisch wiederholenden Strukturen) entwickelt, das von der komplizierten Spinnennetzarchitektur des goldenen Seidenkugelwebers, auch genannt, beeinflusst wird die Nephila-Spinne.

"Es hat in den letzten Jahren viel Arbeit auf dem Gebiet der Metamaterialien gegeben, um die effizientesten Konfigurationen für Wellenabschwächung und -manipulation zu finden", sagte Federico Bosia, Physiker an der Universität von Turin in Italien, gegenüber Phys.org. "Wir haben festgestellt, dass die Spinnennetzarchitektur in Kombination mit den variablen elastischen Eigenschaften von Radial- und Umfangsseiden in der Lage ist, Schwingungen in weiten Frequenzbereichen zu dämpfen und zu absorbieren, obwohl sie leicht sind."

Durch die Modellierung verschiedener Versionen des neuen Spinnennetz-inspirierten akustischen Metamaterials demonstrierten die Forscher, dass das neue Design den niederfrequenten Schall effizienter hemmt und leichter auf andere Frequenzen abgestimmt werden kann als andere schallkontrollierende Materialien. In Kombination mit den versteifenden mechanischen Eigenschaften und der Heterogenität von Spinnenseide lassen die hier beschriebenen abstimmbaren akustischen Eigenschaften vermuten, dass Spinnennetz-inspirierte Metamaterialien zu einer neuen Klasse von Anwendungen zur Steuerung von Schwingungen führen könnten. Möglichkeiten umfassen Erdbebenschutz für Hängebrücken und Gebäude, Lärmreduzierung, Sub-Wellenlängen-Bildgebung und akustische Tarnung.

Die akustischen Vorteile des Spinnennetzes ergeben sich zumindest teilweise aus den konzentrischen Kreisen oder "Ringen" der Bahn. Diese Ringe schwingen bei einer bestimmten Frequenz, wenn sie Schwingungen ausgesetzt sind. Basierend auf dieser natürlichen Architektur entwickelten die Forscher das akustische Metamaterial so, dass es quadratische Einheiten mit Resonanzringen mit Stützbändern hat, die von der Mitte der Ringe nach außen strahlen. Das Design könnte in viele verschiedene künstliche Strukturen integriert werden.

"Man könnte schwingungsisolierte (und möglicherweise erdbebenbelastete) Hängebrücken oder Zugstrukturen konstruieren, die das vorgeschlagene Design ausnutzen: eine periodische Wiederholung der netzartigen Elemente, die zwischen Haupt- und Abspannseilen integriert sind", sagte Bosia. "Bei kleineren Maßstäben könnte die gleiche Art von Strukturen für die Wellenabschwächung im akustischen Bereich verwendet werden, beispielsweise für die Schalldämmung, die von Straßen- oder Schieneninfrastrukturen stammt."

Das Metamaterial ist in hohem Maße abstimmbar, da seine Geometrie durch fünf Parameter definiert ist - was mehr ist als bei traditionellen akustischen Materialien - und jeder dieser Parameter kann unabhängig gesteuert werden, um eine große Anzahl von Designs zu erzeugen, die auf unterschiedliche akustische Frequenzen reagieren. Der Frequenzbereich, der von diesen Materialien inhibiert wird, wird als Bandlücke bezeichnet, und hier zeigten die Forscher, dass Spinnennetz-inspirierte akustische Metamaterialien breite Bandlücken mit großen Abstimmbarkeitsbereichen haben können.

Zukünftig wollen die Forscher die ungewöhnlichen schwingungsdämpfenden Eigenschaften von Spinnweben weiter erforschen und für Anwendungen nutzen.

"Wir wollen die Schwingungseigenschaften eines einzelnen Spinnennetzes untersuchen (im Gegensatz zu seiner periodischen Wiederholung wie in der vorliegenden Arbeit), um zu verstehen, ob seine Struktur Schwingungsdämpfung und Fokussierungseffekte an verschiedenen Stellen ermöglicht, die den Bedürfnissen der Spinne entsprechen, Sagte Bosia. "Im Allgemeinen wollen wir auch andere mögliche bio-inspirierte Designs für Metamaterialien untersuchen, möglicherweise basierend auf hierarchischen Architekturen, für die Dämpfung auf mehreren Frequenzskalen. Wir versuchen auch, einige dieser Konzepte für Anwendungen wie seismische Schilde. "

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