Группа исследователей из Университета Дьюка использовали 3D-печать для создания устройства, которое может контролировать перенаправление звуковых волн с беспрецедентным уровнем эффективности. Это первое устройство в своем роде, которое успешно демонстрирует почти идеальное управление как передачей, так и отражением звука.
Конструкция использует тип материалов известных как метаматериалы, которые могут манипулировать волновыми излучениями такими как свет и звук. Исследование может оказаться полезным для различных подводных звуковых устройств, таких как сонар.
Тонкое пластиковое устройство изготовлено с использованием технологии 3D-печати. Его структура была спроектирована состоящей из рядов имеющих по четыре полые колонны. Каждый ряд высотой около 1,5 сантиметров с узким отверстием отрезанным по торцу одной стороны. Изменение ширины каналов между рядами и размеров полостей внутри каждого отдельного столбца позволило исследователям точно манипулировать звуковыми волнами. Полости вибрируют на определённой частоте, и это влияет на вибрацию соседних полостей, что позволяет управлять передачей и отражением волн.
Результаты исследования были подробно изложены в статье "систематическое проектирование и экспериментальная демонстрация бианизотропных метаповерхностей для манипуляции акустическими волновыми фронтами", опубликованной в журнале Nature Communications. По словам Джунфея Ли, аспиранта Университета Дюка и автора статьи: - "предыдущие устройства могли формировать и перенаправлять звуковые волны, изменяя скорость различных участков волнового фронта, но всегда было нежелательное рассеяние. Необходимо контролировать фазу и амплитуду как передаваемой так и отражённой волны для достижения идеальной эффективности."
Для нахождения оптимальной структуры метаматериала была разработана специальная компьютерная программа. В эту программу исследователи подавали граничные условия с каждой стороны материала, чтобы управлять перенаправленными и отраженными волнами. Программа перебирает случайные решения и вычисляет, что сработало, а что нет, и в конечном итоге находит соответствующий набор параметров проектирования после нескольких различных итераций.
Установка, продемонстрированная в статье управляла звуковой волной 3000 Гц. Структура способна перенаправлять волну, которая идёт прямо на нее на острый угол в 60 градусов. Эффективность составила около 96 процентов, что почти идеально, и гораздо выше, чем 60 процентов эффективности, которые можно ожидать от аналогичных установок в прошлом. Эта же система может быть модифицирована и масштабирована для успешного управления звуковыми волнами практически на любой длине волны.
"Когда я говорю о волнах, я часто возвращаюсь к аналогу оптической линзы", - сказал Стив Каммер, профессор электротехники и вычислительной техники в Университете Дьюка. "Если вы попытаетесь сделать действительно тонкие очки, используя те же подходы, что и эти устройства, которые используются для звука, они вызовут большую шумиху. Эта установка позволяет нам очень точно управлять звуковыми волнами, как объектив для звука, и намного лучше чем раньше."