Metamaterialen-onderzoekers van Duke University hebben het ontwerp en de constructie aangetoond van een dun materiaal dat de omleiding en reflectie van geluidsgolven met bijna perfecte efficiëntie kan regelen.

Hoewel er veel theoretische benaderingen zijn voorgesteld om een ​​dergelijk apparaat te ontwikkelen, ze hebben geworsteld om zowel de transmissie als de reflectie van geluid tegelijkertijd op precies de gewenste manier te regelen, en geen enkele is experimenteel aangetoond.

Het nieuwe ontwerp is het eerste dat complete, bijna perfecte controle van geluidsgolven en is snel en eenvoudig te vervaardigen met behulp van 3D-printers. De resultaten verschijnen 9 april online in Natuurcommunicatie .

"Het op deze manier regelen van de transmissie en reflectie van geluidsgolven was een theoretisch concept dat geen weg naar implementatie had - niemand wist hoe hij een praktische structuur moest ontwerpen met behulp van deze ideeën, " zei Steve Cummer, hoogleraar elektrische en computertechniek aan Duke. "We hebben beide problemen opgelost. We hebben niet alleen een manier bedacht om zo'n apparaat te ontwerpen, we zouden er ook een kunnen maken en testen. En zie, het werkt echt."

Het nieuwe ontwerp maakt gebruik van een klasse materialen die metamaterialen worden genoemd - kunstmatige materialen die golven zoals licht en geluid manipuleren door hun structuur in plaats van door hun chemie. Bijvoorbeeld, terwijl dit specifieke metamateriaal is gemaakt van 3D-geprint plastic, het zijn niet de eigenschappen van het plastic die belangrijk zijn - het zijn de vormen van de functies van het apparaat waarmee het geluidsgolven kan manipuleren.

Het metamateriaal is gemaakt van een reeks rijen van vier holle kolommen. Elke kolom is bijna een halve inch aan een kant met een smalle opening in het midden van één kant, waardoor het enigszins lijkt op 's werelds diepste Ethernet-poort. Hoewel het apparaat dat in de krant wordt getoond 1,6 inch lang en bijna 3,5 voet lang is, de hoogte en breedte zijn niet relevant - het zou in theorie voor altijd in beide richtingen kunnen uitrekken.

De onderzoekers bepalen hoe het apparaat geluid manipuleert door de breedte van de kanalen tussen elke rij kolommen en de grootte van de holte in elke afzonderlijke kolom. Sommige zuilen staan ​​wijd open, andere zijn bijna afgesloten.

Om te begrijpen waarom, denk aan iemand die lucht over de bovenkant van een glazen fles blaast - de toonhoogte die de fles maakt, hangt af van de hoeveelheid vloeistof die in de fles achterblijft. evenzo, elke kolom resoneert met een andere frequentie, afhankelijk van hoeveel ervan is gevuld met plastic.

Terwijl een geluidsgolf door het apparaat reist, elke holte resoneert op de voorgeschreven frequentie. Deze trilling beïnvloedt niet alleen de snelheid van de geluidsgolf, maar werkt ook samen met de aangrenzende holtes om zowel transmissie als reflectie te temmen.

"Vorige apparaten konden geluidsgolven vormen en omleiden door de snelheid van verschillende delen van het golffront te veranderen, maar er was altijd ongewenste verstrooiing, " zei Junfei Li, een doctoraalstudent in het laboratorium van Cummer en eerste auteur van het artikel. "Je moet zowel de fase als de amplitude van zowel de transmissie als de reflectie van de golf regelen om perfecte efficiëntie te bereiken."

Om de zaken ingewikkelder te maken, de trillende kolommen werken niet alleen samen met de geluidsgolf, maar ook met hun omringende kolommen. Li moest een 'evolutionair computeroptimalisatieprogramma' schrijven, ' om alle ontwerppermutaties te doorlopen.

De onderzoekers voeden het programma de randvoorwaarden die nodig zijn aan elke kant van het materiaal om te dicteren hoe ze willen dat de uitgaande en gereflecteerde golven zich gedragen. Na het proberen van een willekeurige reeks ontwerpoplossingen, het programma combineert verschillende combinaties van de beste oplossingen, introduceert willekeurige "mutaties, " en voert vervolgens de nummers opnieuw uit. Na vele iteraties, het programma "evolueert" uiteindelijk een set ontwerpparameters die het gewenste resultaat opleveren.

In de krant, cummer, Li en collega's laten zien dat een dergelijke reeks oplossingen een geluidsgolf die recht op het metamateriaal komt, kan omleiden naar een scherpe uitgaande hoek van 60 graden met een efficiëntie van 96 procent. Eerdere apparaten hadden het geluk gehad om onder dergelijke omstandigheden een efficiëntie van 60 procent te behalen. Hoewel deze specifieke opstelling is ontworpen om een ​​geluidsgolf op 3 te regelen, 000 Hertz - een zeer hoge toon die niet lijkt op het krijgen van een "tinteling in je oren" - de metamaterialen kunnen worden geschaald om bijna elke geluidsgolflengte te beïnvloeden.

De onderzoekers en hun medewerkers zijn van plan om deze ideeën vervolgens over te dragen naar de manipulatie van geluidsgolven in water voor toepassingen zoals sonar, al zijn er geen ideeën voor toepassingen in de lucht. Tenminste nog niet.

"Als we het over golven hebben, Ik val vaak terug op het analoog van een optische lens, ", zei Cummer. "Als je probeerde om heel dunne brillen te maken met dezelfde benaderingen die dit soort apparaten voor geluid hebben gebruikt, ze zouden stinken. Deze demonstratie stelt ons nu in staat om geluidsgolven uiterst nauwkeurig te manipuleren, als een lens voor geluid dat veel beter zou zijn dan voorheen mogelijk was."