Акустические свойства.

Электро – термо - акустические преобразования. Под воздействием переменного тока температура нанотрубок может повышаться до 80 °C. Резкие скачки температуры вызывают колебания давления в прилегающих к сплетенной из нанотрубок поверхности слоях воздуха, что приводит к появлению звуковых волн.

Можно менять форму листов из нанотрубок (растягивать или изгибать, например), но они все равно будут звучать. И даже если какое-то количество нанотрубок разрушится в процессе эксплуатации, система все равно будет воспроизводить звук.

Динамик. Пленка работает как колеблющаяся мембрана при звуковоспроизведении. Благодаря этому динамик будет продолжать работать, даже если часть пленки будет повреждена. Пленку можно внедрить в состав тканей. Так, например, можно изготовить «одежду-динамик», «шторы-динамик», и даже «вещающие транспаранты». Тонкая прозрачная пленка из углеродных нанотрубок позволит медиа- устройствам будущего быть действительно компактными. Таким образом, CNT-монитору на основе этой пленки не нужны будут динамики или другие устройства воспроизведения звука.

Суперспрессованная пленка нанотрубок (super-aligned CNT может быть растянута в пленку длиной 60 метров и шириной 10 см. Подобные материалы – идеальная база для электронных книг и газет, вероятно, что интеграция CNT-пленок с транзисторными матрицами приведет к появлению нового класса мобильных персональных компьютеров – тонких прозрачных пленок, которые можно растягивать и изгибать.

Рис.(а) - Динамик на основе тонкопленочного покрытия из УНТ между 2-мя электродами. (b) – УНТ, выращенные на кремниевой подложке. (с) - Динамик формата А4. (d) - Динамик цилиндрической формы для всестороннего вещания.

Сонар. Динамики, сделанные с использованием слоев из нанотрубок, могут не только воспроизводить звук, но и подавлять шум. Эти способности делают их идеальными для сонаров подводных лодок будущего, способных не только прослушивать воду в поисках противника, но и делать невидимыми для их сонаров.

Рис. Преобразователь с использованием поверхности из многостенных нанотрубок (MWNT) для сонаров.

Низкочастотный сонар для субмарин позволяет определять местоположение, направление и скорость движения подводных объектов. Эффективность создания звуковых волн в воде значительно ниже. Но свойственная углеродным нанотрубкам гидрофобность создает вокруг них своего рода «оболочку» из воздуха, делая их в сотни раз более эффективными генераторами акустических колебания, способными действовать в низкочастотном диапазоне 1–105 Гц. А если заставить пленку из нанотрубок колебаться с определенными частотами, создаваемые ими звуковые колебания будут гасить шум, исходящий от самой субмарины. «Ухо» может стать «плащом-невидимкой».

Ультразвуковой скальпель. Ультразвуковые устройства используются в самых различных областях медицины. Помимо наблюдений за развитием младенцев в чреве матери, ультразвук используется для дробления камней в почках и мочевом пузыре, для лечения воспаления мышечных тканей и многого другого. Благодаря изобретению новой акустической линзы на основе углеродных нанотрубок, ультразвуковые волны могут служить тончайшим скальпелем, позволяющим производить манипуляции прямо внутри живого организма без хирургического вмешательства. Направленные ультразвуковые волны, используемые в большинстве медицинских установок, имеют относительно большой фокус. Звуковой луч, используемый в большинстве установок для дробления камней в организме, имеет диаметр около одного сантиметра. Меньший диаметр луча позволит существенно уменьшить мощность установку, оставив необходимую для дробления удельную мощность той же.

Рис. Опто- акустическая линза.

Опто- акустическая линза покрыта слоем углеродных нанотрубок. Она служит для преобразования света лазера в высокочастотные звуковые колебания большой амплитуды. Нанотрубки поглощают свет лазера и нагреваются под воздействием его энергии. Второй слой линзы изготовлен из специального синтетического материала, значительно расширяющегося под воздействием высокой температуры. Этот слой материала служит звуковым усилителем. Для получения ультразвука исследователи с требуемой частотой модулировали свет лазера, который падал на поверхность 6-мм опто- акустической линзы. В результате были получены ультразвуковые волны, превышающие по частоте в 10 тысяч раз порог человеческого слуха, которые фокусировались в нужном месте.

А Б

Рис. А – модулированное лазерное излучение. Б – Позиционирование УЗ луча.

Большинство установок, использующих интенсивные ультразвуковые лучи, производят воздействие на цель с помощью высокой температуры, возникающей в месте фокуса луча. В отличие от них, новая опто- акустическая технология создает ударные звуковые волны в месте контакта с целью, вызывающие появление очень маленькой, но сильной волны давления. Помимо высокой частоты, полученные ультразвуковые волны были весьма сильно сфокусированы. Изменяя некоторые параметры луча света лазера, исследователи получали диаметр фокусного пятна от 6–15 микрон до 300–400 микрон.

Рис. (a) and (b)- Сечение покрытого золотом композита УНТ (CNT) в полимере PDMS толщиной 16 μm. (a) (scale bar = 10 μm) and (b) (scale bar = 1 μm),

(c) – экспериментальная установка .

Рис. (a) – Результаты воздействия модулированного лазером УЗ луча после 1000 импульсов на 1 точку диаметром 300 – 404 мкм. (c) и (d) – дробление полимера с экспозицией 1.5с.

Благодаря малому размеру сфокусированный ультразвуковой луч может «шуметь» на любой цели, будь это кровяной сгусток или клетки раковой опухоли, при этом окружающей материи живого организма не наносится абсолютно никакого вреда.

С помощью своего ультразвукового скальпеля исследователям удалось отделить одну единственную раковую клетку и «просверлить» отверстие диаметром 150 микрон в искусственном почечном камне. Помимо подобного применения новая сверхточная ультразвуковая технология может использоваться для точечной доставки лекарственных препаратов, для проведения косметических операций, для борьбы с онкологическими заболеваниями и для целого ряда других целей.

Ультразвуковой двигатель линейных перемещений построен на обратном пьезоэффекте – изменении геометрических размеров при подаче переменного электрического напряжения. При увеличении размеров пьезоэлементы приходят в соприкосновение с перемещаемым объектом и сдвигают его. В следующем полупериоде пьезоэлементы отходят, а объект не меняет положения за счет трения с опорами.

Рис. Схема УЗ двигателей.

УЗ двигатель имеет значительно меньшие габариты и массу по сравнению с аналогичным по силовым характеристикам электромагнитным двигателем. Отсутствие обмоток, пропитанных склеивающими составами, делает его пригодным для использования в условиях вакуума. Ультразвуковой двигатель обладает значительным моментом самоторможения (до 50 % величины mах крутящего момента) при отсутствии питающего напряжения за счет своих конструктивных особенностей. Это позволяет обеспечивать очень малые дискретные угловые перемещения (от единиц угловых секунд) без применения каких-либо специальных мер. Это свойство связано с квазинепрерывным характером работы пьезодвигателя. Действительно, пьезоэлемент, который преобразует электрические колебания в механические питается не постоянным, а переменным напряжением резонансной частоты. При подаче одного или двух импульсов можно получить очень маленькое угловое перемещение ротора. Например, некоторые образцы ультразвуковых двигателей, имеющие резонансную частоту 2 МГц и рабочую частоту вращения 0,2-6 об/сек, при подаче одиночного импульса на обкладки пьезоэлемента дадут в идеальном случае угловое перемещение ротора в 1/9.900.000-1/330.000 от величины окружности, то есть 0,13-3,9 угловых секунд.

Ультразвуковой двигатель бегущей волны.

Если в замкнутом пьезорезонаторе реализовать бегущую волну, он может выполнять роль статора, за счет трения приводящего в движение диск – ротор. Формируется двигатель вращения.

.

а б

Рис. (а) – структура двигателя вращения, (б) – схема передачи движения от статора к ротору.

На «гибкий» статор «подается» переменное напряжение высокой частоты, которое вынуждает его производить ультразвуковые колебания, формирующие механическую бегущую волну, которая и толкает (зацепляет) расположенный рядом ротор. Простота принципа сложна в реализации. И если обычный электродвигатель можно сделать практически «на коленке», ультразвуковой без сложного оборудования не создать.

Ультразвуковой двигатель может с успехом использоваться в тех областях техники, где необходимо достижение минимальных угловых и линейных перемещений. Например, в астрономии, в космических исследованиях, где требуется точная ориентировка по весьма малым объектам (звездам); в ускорителях заряженных частиц, где необходимо удерживать пучок в строго заданных геометрических координатах; в научных исследованиях при изучении кристаллографической структуры (ориентировка головки гониометра); в робототехнике и т. д.

Рис. Изображение двигателя вращения кодированного диска.

Наномоторы, способные работать от магнитных и акустических полей, что делает его первым гибридным магнитоакустическим бестопливным наномотором.

Наномотор может реагировать на оба типа полей из-за своего двухсегментного дизайна: сегмент золотого наностержня отвечает за ультразвук, а наноспиральный магнитный сегмент отвечает магнитное поле. Все устройство занимает приблизительно 3 000 нм (3 мкм) в длину. Как объясняют исследователи, использование различных полей для питания одного устройства предлагает потенциал для быстрого изменения конфигурации работы устройства. Например, переключение между двумя различными областями быстро изменяет направление движения, так как поля действуют на противоположных концах устройства. Кроме того, настройка амплитуды ультразвуковых волн или частота магнитного поля обеспечивает быстрое регулирование скорости, при применении вращательное магнитное поле индуцирует крутящий момент, приводящий в спиральное движение.

Эмиссия фотона не будет изменять материал или его свойства, но вибрационное возбуждение, вследствие выделения тепла, может изменить материал.

Использование полей вместо топлива предоставляет наномотору преимущество работы в высоко ионных средах, таких как морская вода и кровь. Эти среды, как правило, мешают двигательным механизмам химических наномоторов, которые часто полагаются на движение электрофореза, индуцированного электрическим полем.

Ультразвуковая локация- использование ультразвуковых сигналов для определения места нахождения наноробота и направления его движения.

Рис. Навигационная система наноробота.

Механические испытания. НАНО СКРЕТЧ-ТЕСТЕРЫ (NST) предназначены для наномеханических испытаний, изучения свойств поверхности тонких пленок и покрытий, толщиной менее 1000 нм, таких как адгезия, хрупкость, деформация, отслаивание и износостойкость путем испытания царапаньем, а также устойчивость и сопротивление к царапанию, коэффициент трения.

Метод основан на контролируемом царапании алмазным индентором на выбранном участке образца/изделия. Наконечник индентора (обычно алмаз или карбид вольфрама) перемещается по поверхности образца с постоянной, возрастающей или прогрессивной нагрузкой. При определенной критической нагрузке покрытие начнет разрушаться. Критические нагрузки очень точно регистрируются акустическим сенсором (MST&RST) закрепленном на нагружающем плече, но также могут быть зарегистрированы через встроенный оптический микроскоп.

Рис. Схема скреч – тестера.

Акустические метаматериалы повторяются свойства электромагнитных метаматериалов, которые переносятся в область ультразвуковых волн.

Круглое устройство, выполненное на алюминиевой пластине, имеет систему полостей (акустических «конденсаторов»), соединённых каналами («катушками индуктивности»). Варьируя геометрические параметры полостей и каналов, добиваются нужного эффекта — скрывают предмет, находящийся в центральной области, радиус которой составляет 13,5 мм. Внешний радиус устройства равен 54,1 мм.

Рис. Акустическое маскирующее устройство (иллюстрация из журнала Physical Review Letters).

Для того чтобы протестировать возможности разработки, физики поместили в центр устройства стальной цилиндр, после чего опустили сборку в воду. На расстоянии в 165 мм от центра находился ультразвуковой источник, а с другой стороны был установлен гидрофон — прибор для приёма ультразвука.
Проверялись значения от 52 до 64 кГц; электромагнитным маскирующим аналогам даже этот суженный диапазон, впрочем, покажется невероятно широким. Стальной цилиндр, как и само устройство, оказался надёжно спрятан.
К недостаткам текущего варианта устройства относится то, что оно работает в двумерном режиме. Перейти в три измерения не так уж и сложно: необходимые параметры структуры известны, а основная проблема заключается в том, чтобы изготовить модель.

Рис. Упрощённая схема опыта (иллюстрация из журнала Physical Review Letters).

Ротатор акустического поля.

Рис. Ротатор акустического поля.

Метод, позволяющий "закручивать" звуковые волн использует универсальное акустическое устройство, названное ротатором акустического поля (acoustic field rotator), позволяет управлять фазой, амплитудой и направлением распространения акустической волны. Он способен заставить акустические волны огибать объект, скрывая его, к примеру, от акустического зондирования. Ротатор сформирован на основе метаматериала.