Метаматериальное устройство управляет передачей и отражением звуковых волн

Исследователи из Университета Дьюка продемонстрировали дизайн и строение тонкого материала, контролирующего перенаправление и отражения звуковых волн с почти идеальной эффективностью.

Ученые неоднократно предлагали теоретические подходы к созданию такого устройства. Но, отмечает phys.org, они сталкивались с проблемой одновременного управления передачей и отражением волн – добиться этого сочетания экспериментально не удавалось.

Новый дизайн, описанный в статье Nature Communications, впервые продемонстрировал полный, почти идеальный контроль. Устройство легко и быстро изготавливается на 3D-принтере.

«Управление передачей и звуковыми волнами было теоретической концепцией – никто не знал, как реализовать нужную структуру на практике, — сказал профессор Стив Куммер. – Мы решили обе проблемы – не только нашли правильный дизайн, но и реализовали его, показав работоспособность модели».

Ученые использовали новый класс материалов – метаматериалы. Они манипулируют световыми и звуковыми волнами за счет своей структуры, а не химии. Так, в метаматериале, напечатанном на 3D-принтере, важны не свойства пластикового сырья, а характеристики изделия.

Структура состоит из серии рядов с 4 полыми столбцами. Размер каждого на стороне с узким отверстием в середине – около 0,5 дюйма (13 мм). Структура напоминает самый глубокий в мире Ethernet-порт.

Показанный прототип имеет высоту 1,6 дюйма и длину около 3,5 фута (4 и 106,7 см соответственно). Но эти параметры не фиксированы. Теоретически, устройство может растягиваться в этих направлениях вечно.

Авторы контролировали управление звуком за счет ширины каналов между каждым рядом и размера полостей внутри столбцов. Некоторые из них широко открыты, другие – почти закрыты. Ученые сравнили принцип работы устройства с потоком воздуха, проходящим над бутылочным горлышком. Звук при этом зависит от количества жидкости в емкости. Также каждый столбец резонирует на разной частоте, в зависимости от заполненности пластиком.

Представленный прототип успешно перенаправлял звуковые волны, направленные прямо на метаматериал, под углом 60°, показав эффективность в 96% (КПД прошлых устройств – 60% при тех же условиях). Устройство рассчитано на 3000 Гц, но дизайн можно изменить почти под любую частоту.