Metamaterialforskare vid Duke University har visat design och konstruktion av ett tunt material som kan styra omdirigering och reflektion av ljudvågor med nästan perfekt effektivitet.

Medan många teoretiska metoder för att konstruera en sådan anordning har föreslagits, de har kämpat för att samtidigt kontrollera både överföring och reflektion av ljud på exakt önskat sätt, och ingen har experimentellt visats.

Den nya designen är den första som visar fullständig, nästan perfekt kontroll av ljudvågor och tillverkas snabbt och enkelt med hjälp av 3D-skrivare. Resultaten visas online 9 april i Naturkommunikation .

"Att styra överföring och reflektion av ljudvågor på detta sätt var ett teoretiskt koncept som inte hade någon väg till implementering - ingen visste hur man utformade en praktisk struktur med hjälp av dessa idéer, "sa Steve Cummer, professor i el- och datateknik vid Duke. "Vi löste båda problemen. Inte nog med att vi hittade ett sätt att designa en sådan enhet, vi kan också göra en och testa den. Och se, det fungerar faktiskt. "

Den nya designen använder en klass av material som kallas metamaterial - konstgjorda material som manipulerar vågor som ljus och ljud genom sin struktur snarare än deras kemi. Till exempel, medan detta metamaterial är tillverkat av 3D-tryckt plast, Det är inte plastens egenskaper som är viktiga - det är formen på enhetens funktioner som gör det möjligt att manipulera ljudvågor.

Metamaterialet består av en rad rader med fyra ihåliga kolumner. Varje kolumn är nästan en halv tum på en sida med en smal öppning nedskuren i mitten av ena sidan, får den att se ut som världens djupaste Ethernet-port. Medan enheten som visas i tidningen är 1,6 tum lång och nästan 3,5 fot lång, dess höjd och bredd är irrelevanta - det skulle teoretiskt kunna sträcka sig för alltid i båda riktningarna.

Forskarna kontrollerar hur enheten manipulerar ljud genom bredden på kanalerna mellan varje rad kolumner och storleken på hålrummet inuti varje enskild kolumn. Vissa kolumner är vidöppna medan andra är nästan stängda.

För att förstå varför, tänk på någon som blåser luft över toppen av en glasflaska – stigningen flaskan gör beror på mängden vätska som finns kvar inuti flaskan. Liknande, varje kolumn resonerar med en annan frekvens beroende på hur mycket av den som fylls med plast.

När en ljudvåg färdas genom enheten, varje hålighet resonerar vid sin föreskrivna frekvens. Denna vibration påverkar inte bara ljudvågens hastighet utan interagerar med dess närliggande hålrum för att tämja både överföring och reflektion.

"Tidigare enheter kan forma och omdirigera ljudvågor genom att ändra hastigheten för olika delar av vågfronten, men det fanns alltid oönskad spridning, sa Junfei Li, en doktorand i Cummers laboratorium och första författare till uppsatsen. "Du måste kontrollera både fasen och amplituden för både överföring och reflektion av vågen för att närma sig perfekta effektiviteter."

För att göra saken mer komplicerad, de vibrerande kolumnerna interagerar inte bara med ljudvågen, men också med deras omgivande kolumner. Li behövde skriva ett 'evolutionärt datoroptimeringsprogram, 'att arbeta igenom alla designpermutationer.

Forskarna matar programmet de gränsvillkor som behövs på varje sida av materialet för att diktera hur de vill att de utgående och reflekterade vågorna ska bete sig. Efter att ha provat en slumpmässig uppsättning designlösningar, programmet blandar olika kombinationer av de bästa lösningarna, introducerar slumpmässiga "mutationer, " och kör sedan siffrorna igen. Efter många iterationer, programmet "utvecklar" så småningom en uppsättning designparametrar som ger önskat resultat.

I tidningen, Cummer, Li och kollegor visar att en sådan uppsättning lösningar kan omdirigera en ljudvåg som kommer rakt vid metamaterialet till en skarp 60-graders utgående vinkel med en effektivitet på 96 procent. Tidigare enheter skulle ha haft tur att uppnå 60 procents effektivitet under sådana förhållanden. Även om denna speciella inställning utformades för att styra en ljudvåg vid 3, 000 Hertz - en mycket hög tonhöjd som inte skiljer sig från att få en "ringning i öronen" - metamaterialen kan skalas för att påverka nästan vilken våglängd som helst av ljud.

Forskarna och deras medarbetare planerar nästa att överföra dessa idéer till manipulation av ljudvågor i vatten för applikationer som ekolod, även om det inte finns några idéer för applikationer i luften. Åtminstone inte än.

"När man pratar om vågor, Jag faller ofta tillbaka på analog av en optisk lins, " sa Cummer. "Om du försökte göra riktigt tunna glasögon med samma metoder som den här typen av enheter har använt för ljud, de skulle stinka. Denna demonstration tillåter oss nu att manipulera ljudvågor extremt exakt, som ett objektiv för ljud som skulle vara mycket bättre än tidigare möjligt. "