Стена, похожая на конструктор Lego, создает акустические голограммы: новая технология формирует звуковые волны для различных применений — от динамиков до ультразвуковых изображений.

Практически каждый знаком с концепцией визуальных голограмм, которые манипулируют светом, чтобы он выглядел так, как будто трехмерный объект находится в пустом пространстве. Эти оптические приемы работают, формируя электромагнитное поле так, чтобы оно имитировало свет, отражающийся от реального объекта.Звук тоже распространяется волнами. Но вместо распространения электромагнитной энергии в пространстве звук распространяется как волны давления, которые на мгновение сжимают молекулы, через которые они проходят.

И так же, как видимый свет, этими волнами можно преобразовать в трехмерные узоры.«Мы демонстрируем точно такой же контроль над звуковой волной, который люди ранее получали с помощью световых волн», — сказал Стив Каммер, профессор электротехники и компьютерной инженерии в Университете Дьюка. «Это похоже на акустический дисплей виртуальной реальности.

Он дает более реалистичное представление о пространственной структуре звукового поля».В статье, опубликованной 14 октября в Nature Scientific Reports, исследователи из Государственного университета Дьюка и Северной Каролины показывают, что они могут создать любой трехмерный узор с помощью звуковых волн.

Достижение стало возможным благодаря метаматериалам — синтетическим материалам, состоящим из множества отдельных инженерных клеток, которые вместе производят неестественные свойства.В этом случае метаматериалы напоминают стену из Лего. Каждый отдельный блок сделан из пластика на трехмерном принтере и содержит внутри спираль. Плотность спирали влияет на то, как звук проходит через нее — чем плотнее катушка, тем медленнее звуковые волны проходят через нее.

Хотя отдельные блоки не могут влиять на направление звуковой волны, фактически может все устройство. Например, если одна сторона звуковой волны замедляется, а другая — нет, результирующие волновые фронты будут перенаправлены так, что звук будет отклонен в сторону медленной стороны.

«Любой может отличить одиночный стереодинамик от живого струнного квартета, играющего музыку позади него», — объяснил Янбо «Абель» Се, докторант в лаборатории Каммера. «Частично причина в том, что звуковые волны несут пространственную информацию, а также ноты и громкость».Посчитав, как 12 различных типов строительных блоков из акустического метаматериала будут влиять на звуковую волну, исследователи могут расположить их в стене, чтобы сформировать любой волновой узор на другой стороне, какой они хотят.

При достаточной осторожности звуковые волны могут создавать определенную голограмму на определенном расстоянии.«По сути, это все равно, что надевать маску перед выступающим», — сказал Каммер. «Создается впечатление, что звук исходит из более сложного источника, чем он есть на самом деле».Каммер и Се в сотрудничестве с Юн Цзин, доцентом кафедры механической и аэрокосмической техники в NC State, и Тарри Шен, докторантом лаборатории Цзин, доказали, что их звуковая маска работает двумя разными способами. В первом тесте они собрали стену из метаматериала, которая преобразовывала входящую звуковую волну в форму, подобную букве «А», примерно в футе от нее.

Во второй демонстрации они показали, что эта техника может фокусировать звуковые волны в нескольких «горячих точках» — или громких точках — звука, также на расстоянии фута от устройства.Существуют существующие технологии, которые также могут производить такой эффект.

Например, современные устройства ультразвуковой визуализации используют фазированные решетки с множеством отдельных преобразователей, каждый из которых может генерировать точно контролируемые звуковые волны. Но у этого подхода есть свои недостатки.«Если вам когда-либо делали УЗИ, вы знаете, что в нескольких футах от вас есть небольшая палочка, прикрепленная к гораздо большему аппарату», — сказал Каммер. «Эта установка может быть не только громоздкой, но и потребляет огромное количество энергии. Наш подход может помочь добиться того же эффекта в более дешевой и компактной системе».

Однако для того, чтобы устройство из метаматериала могло работать в таких приложениях, каждая ячейка должна быть меньше, чем волны, которыми она манипулирует. А для ультразвуковых технологий, работающих в мегагерцовом диапазоне, это означает, что отдельные ячейки должны быть в 100 раз меньше, чем в нынешних демонстрационных блоках.Каммер и Се ищут отраслевых партнеров, чтобы показать, что такое изготовление возможно. Они также предлагают эту идею отраслям, работающим в килогерцовом диапазоне, таким как технологии воздушного зондирования и визуализации.

И, конечно же, они разговаривают со звуковыми компаниями, чтобы сделать звук одного динамика более похожим на живой оркестр.«В настоящее время мы находимся на стадии разведки, пытаясь определить, где эта технология будет полезна», — сказал Се. «В любом сценарии, где вашей целью является контроль звука, эта идея может быть реализована.

И она может быть использована для создания чего-то совершенно нового или для того, чтобы сделать что-то, что уже существует, лучше, проще или дешевле».


Оставьте комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *