21.12.2015

Создан новый метаматериал для фокусировки звуковых волн

Исследователи из Университета штата Северная Каролина и Университета Дьюка (США) разработали метаматериал из бумаги и алюминия, который управляет звуковыми волнами. Новый метаматериал способен увеличивать разрешение акустического изображения, фокусировать акустические волны и контролировать углы, под которыми распространятся звук. Устройства акустической визуализации, в которых может использоваться разработка учёных Северной Каролины, применяются как в медицинской диагностике, так и в тестировании структурной целостности различных конструкций, от самолётов до мостов.

«Мы знали, что нечто похожее на этот метаматериал теоретически возможно, но на самом деле никто не создавал его ранее», — сообщил профессор Юнь Цзин (Yun Jing), один из соавторов работы.

Как сообщает пресс-релиз Университета штата Северная Каролина, структурный дизайн разработанного материала позволяет классифицировать его как «гиперболический» метаматериал. Это значит, что он взаимодействует с акустическими волнами двумя различными способами. В одном направлении метаматериал демонстрирует положительную плотность (аналогично положительному коэффициенту преломления) и взаимодействует с акустическими волнами обычным образом — так же, как воздух. Однако в перпендикулярном направлении он в аспекте взаимодействия со звуком демонстрирует отрицательную плотность. Это заставляет акустические волны отклоняться под углами, которые противоположны предполагаемым базовой физикой.

В результате метаматериал имеет несколько полезных приложений.

Прежде всего, его можно использовать для улучшения акустической визуализации. В классических условиях детализация не может быть меньше, чем половина длины волны звука. К примеру, волна частотой 100 кГц, распространяющаяся в воздухе, имеет длину 3,4 мм и не способна обеспечить разрешение лучше, чем 1,7 мм.

«Но наш метаматериал улучшает ситуацию, — сказал Чэнь Шэнь (Chen Shen), аспирант университета штата Северная Каролина и ведущий автор работы. — Размещая его между устройством визуализации и объектом, который изображается, мы способны более чем вдвое улучшить разрешение акустической визуализации: с изначальной половины длины волны до чуть более чем одной пятой».

Метаматериал также может фокусировать акустические волны. «Медики и инженеры-проектировщики строительных конструкций иногда нуждаются в фокусировке звука для визуализации объектов или для терапевтических задач, — говорит Цзин. — Наш метаматериал позволяет реализовать это, а также способен улучшить разрешение в данных приложениях. Существует немного инструментов, способных и на то, и на другое».

Наконец, этот метаматериал даёт разработчикам больше контроля над углами, под которыми акустические волны могут проходить сквозь него. Шэнь приводит следующий пример: «Метаматериал способен блокировать звук из большинства направлений, оставляя только небольшой пространственный диапазон, что может быть полезно для микрофонов».

На данный момент прототип имеет площадь примерно 30 см² и эффективен для звука частотой от 1 до 2,5 кГц. Авторы ставят перед собой задачу сделать образцы меньшего размера, которые работали бы с более высокочастотным звуком.

Максим Рославлев

Источники:

1. 22century.ru