Metamaterialet enhed styrer transmission og refleksion af akustiske bølger

Metamaterialeforskere ved Duke University har demonstreret design og konstruktion af et tyndt materiale, der kan styre omdirigering og refleksion af lydbølger med næsten perfekt effektivitet.

Mens mange teoretiske tilgange til at konstruere en sådan enhed er blevet foreslået, de har kæmpet for samtidig at kontrollere både transmission og reflektion af lyd på præcis den ønskede måde, og ingen er blevet demonstreret eksperimentelt.

Det nye design er det første til at demonstrere komplet, næsten perfekt kontrol af lydbølger og fremstilles hurtigt og let ved hjælp af 3D-printere. Resultaterne vises online 9. april i Naturkommunikation .

"Styring af transmission og refleksion af lydbølger på denne måde var et teoretisk begreb, der ikke havde en vej til implementering - ingen vidste, hvordan man designede en praktisk struktur ved hjælp af disse ideer, "sagde Steve Cummer, professor i el- og computerteknik ved Duke. "Vi løste begge disse problemer. Ikke alene fandt vi ud af en måde at designe sådan en enhed på, vi kunne også lave en og teste den. Og se og se, det virker faktisk. "

Det nye design bruger en klasse materialer kaldet metamaterialer - kunstige materialer, der manipulerer bølger som lys og lyd gennem deres struktur frem for deres kemi. For eksempel, mens dette særlige metamateriale er lavet af 3D-trykt plast, det er ikke plastikkens egenskaber, der er vigtige - det er formerne på enhedens funktioner, der gør det muligt at manipulere lydbølger.

Metamaterialet er lavet af en række rækker med fire hule søjler. Hver søjle er næsten en halv tomme på en side med en smal åbning skåret ned på midten af ​​den ene side, får det til at ligne verdens dybeste Ethernet -port. Mens enheden vist i papiret er 1,6 tommer høj og næsten 3,5 fod lang, dens højde og bredde er irrelevant - den kunne teoretisk strække sig for evigt i begge retninger.

Forskerne styrer, hvordan enheden manipulerer lyd gennem kanalernes bredde mellem hver kolonnerække og hulrummets størrelse inde i hver enkelt søjle. Nogle søjler er vidt åbne, mens andre er næsten lukkede.

For at forstå hvorfor, tænk på en person, der blæser luft hen over toppen af ​​en glasflaske - den tonehøjde flasken gør afhænger af mængden af ​​væske, der er tilbage i flasken. Tilsvarende hver søjle resonerer med en anden frekvens afhængigt af, hvor meget af den der er fyldt med plastik.

Når en lydbølge bevæger sig gennem enheden, hvert hulrum resonerer ved sin foreskrevne frekvens. Denne vibration påvirker ikke kun lydbølgens hastighed, men interagerer med dens tilstødende hulrum for at tæmme både transmission og refleksion.

"Tidligere enheder kunne forme og omdirigere lydbølger ved at ændre hastigheden på forskellige sektioner af bølgefronten, men der var altid uønsket spredning, "sagde Junfei Li, en doktorand i Cummers laboratorium og første forfatter til papiret. "Du er nødt til at kontrollere både fasen og amplituden af ​​både transmissionen og refleksionen af ​​bølgen for at nærme sig perfekt effektivitet."

For at gøre sagen mere kompliceret, de vibrerende søjler interagerer ikke kun med lydbølgen, men også med deres omkringliggende søjler. Li havde brug for at skrive et 'evolutionært computeroptimeringsprogram, 'at arbejde igennem alle designpermutationer.

Forskerne fodrer programmet med de randbetingelser, der er nødvendige på hver side af materialet for at diktere, hvordan de vil have de udgående og reflekterede bølger til at opføre sig. Efter at have prøvet et tilfældigt sæt designløsninger, programmet blander forskellige kombinationer af de bedste løsninger, introducerer tilfældige "mutationer, "og kører derefter tallene igen. Efter mange iterationer, programmet til sidst "udvikler" et sæt designparametre, der giver det ønskede resultat.

I avisen, Cummer, Li og kolleger demonstrerer, at et sådant sæt løsninger kan omdirigere en lydbølge, der kommer lige ved metamaterialet, til en skarp 60-graders udadgående vinkel med en effektivitet på 96 procent. Tidligere enheder ville have været heldige at opnå 60 procent effektivitet under sådanne forhold. Mens denne særlige opsætning var designet til at styre en lydbølge ved 3, 000 Hertz - en meget høj tonehøjde, der ikke er forskellig fra at få en "ringen i ørerne" - metamaterialerne kunne skaleres til at påvirke næsten enhver bølgelængde af lyd.

Forskerne og deres samarbejdspartnere planlægger derefter at overføre disse ideer til manipulation af lydbølger i vand til applikationer som f.eks. Ekkolod, selvom der ikke er nogen ideer til applikationer i luften. I hvert fald ikke endnu.

"Når man taler om bølger, Jeg falder ofte tilbage på analogen af ​​en optisk linse, "sagde Cummer." Hvis du forsøgte at lave virkelig tynde briller ved hjælp af de samme metoder, som denne slags enheder har brugt til lyd, de ville stinke. Denne demonstration giver os nu mulighed for at manipulere lydbølger ekstremt præcist, som et objektiv til lyd, der ville være langt bedre end tidligere muligt. "