Створено новий метаматеріал для фокусування звукових хвиль

Метаматеріал виконаний з паперу та алюмінію, але, незважаючи на це, його структура дозволяє різним чином маніпулювати звуковими хвилями.


Дослідники з Університету штату Північна Кароліна і Університету Дьюка (США) розробили метаматеріал з паперу і алюмінію, який управляє звуковими хвилями. Новий метаматеріал може збільшувати роздільну здатність акустичного зображення, фокусувати акустичні хвилі та контролювати кути, під якими розповсюджується звук. Пристрої акустичної візуалізації, в яких може використовуватися розробка вчених Північної Кароліни, застосовуються як в медичній діагностиці, так і в тестуванні структурної цілісності різних конструкцій, від літаків до мостів.

«Ми знали, що щось схоже на цей метаматеріал теоретично можливо, але насправді ніхто не створював його раніше», - повідомив професор Юнь Цзін (Yun Jing), один із співавторів роботи.

Як повідомляє прес-реліз Університету штату Північна Кароліна, структурний дизайн розробленого матеріалу дозволяє класифікувати його як «гіперболічний» метаматеріал. Це означає, що він взаємодіє з акустичними хвилями двома різними способами. В одному напрямку метаматеріал демонструє позитивну щільність (аналогічно позитивному коефіцієнту заломлення) і взаємодіє з акустичними хвилями звичайним чином - так само, як повітря. Однак у перпендикулярному напрямку він в аспекті взаємодії зі звуком демонструє негативну щільність. Це змушує акустичні хвилі відхилятися під кутами, які протилежні передбачуваним базовою фізикою.

У результаті метаматеріал має кілька корисних програм.

Перш за все, його можна використовувати для поліпшення акустичної візуалізації. У класичних умовах деталізація не може бути меншою, ніж половина довжини хвилі звуку. Наприклад, хвиля частотою 100 кГц, що поширюється в повітрі, має довжину 3,4 мм і не здатна забезпечити дозвіл краще, ніж 1,7 мм.

"Але наш метаматеріал покращує ситуацію, - сказав Чень Шень (Chen Shen), аспірант університету штату Північна Кароліна і провідний автор роботи. - Розміщуючи його між пристроєм візуалізації і об'єктом, який зображується, ми здатні більш ніж удвічі поліпшити дозвіл акустичної візуалізації: з початкової половини довжини хвилі до трохи більше ніж однієї п'ятої ".

Метаматеріал також може фокусувати акустичні хвилі. "Медики та інженери-проектувальники будівельних конструкцій іноді потребують фокусування звуку для візуалізації об'єктів або для терапевтичних завдань, - говорить Цзін. - Наш метаматеріал дозволяє реалізувати це, а також здатний поліпшити дозвіл в даних додатках. Існує небагато інструментів, здатних і на те, і на інше ".

Нарешті, цей метаматеріал дає розробникам більше контролю над кутами, під якими акустичні хвилі можуть проходити крізь нього. Шень наводить наступний приклад: «Метаматеріал здатний блокувати звук з більшості напрямків, залишаючи тільки невеликий просторовий діапазон, що може бути корисно для мікрофонів».

На даний момент прототип має площу приблизно 30 см і ефективний для звуку частотою від 1 до 2,5 кГц. Автори ставлять перед собою завдання зробити зразки меншого розміру, які працювали б з більш високочастотним звуком.

logo