Lego poput zida proizvodi akustične holograme

Kontakt (2017) Serbian music documentary (with English subtitles) (Lipanj 2019).

Anonim

Inženjeri istraživačkih trokuta razvili su jednostavan, energetski učinkovit način stvaranja trodimenzionalnih akustičnih hologrami. Tehnika bi mogla revolucionirati aplikacije u rasponu od kućnih stereo sustava do medicinskih ultrazvučnih uređaja.

Većina je svima dobro upoznata s konceptom vizualnih holograma, koji manipuliraju svjetlom da bi se pojavio kao da je objekt u 3D prostoru. Ovi optički trikovi djeluju tako da oblikuju elektromagnetsko polje tako da oponaša svjetlost odbijajući se od stvarnog objekta.

Zvuk također putuje u valovima. Ali, umjesto elektromagnetske energije koja putuje kroz prostor, zvuk se širi kao pritisni valovi koji trenutačno stišću molekule kroz koje putuju. I kao vidljiva svjetlost, ti se valovi mogu manipulirati trodimenzionalnim uzorcima.

"Pokazujemo istu kontrolu nad zvučnim valom kao što su ljudi prethodno postigli s svjetlosnim valovima", rekao je Steve Cummer, profesor elektrotehnike i računalstva na Sveučilištu Duke. "To je kao akustični prikaz virtualne stvarnosti, što vam daje realniji osjećaj prostornog uzorka zvučnog polja."

U radu objavljenom 14. listopada u znanstvenim izvještajima Nature, istraživači na Sveučilištu Duke i North Carolina State pokazuju da mogu stvoriti bilo koji trodimenzionalni uzorak koji žele sa zvučnim valovima. Postignuće su omogućene metamaterijalima - sintetičkim materijalima sastavljenim od mnogih pojedinačnih, projektiranih stanica koje zajedno stvaraju neprirodna svojstva.

U ovom slučaju, metamarketi nalikuju zidu Legosa. Svaki pojedini blok izrađen je od plastike pomoću 3-D pisača i sadrži spiralu unutar njega. Zatezanje spirale utječe na način na koji zvuk putuje kroz njega - što je čvršće zavojnica, sporiji zvučni valovi prolaze kroz njega.

Dok pojedini blokovi ne mogu utjecati na smjer zvuka, cijeli uređaj učinkovito može. Na primjer, ako jedna strana zvučnog vala bude usporena, ali ne i druga, preusmjeravaju se dobivene fronte s valovima, tako da je zvuk savijen prema sporoj strani.

"Svatko može reći razliku između jednog stereo zvučnika i živog gudačkog kvarteta koji svira glazbu iza njih", objasnio je Yangbo "Abel" Xie, doktorski student u Cummerovom laboratoriju. "Dio je razloga zašto zvučni valovi nose prostorni podatak, kao i bilješke i volumen."

Kalkuliranjem kako će 12 zvučnih valova utjecati na zvučni val, znanstvenici ih mogu organizirati u zid kako bi oblikovali bilo koji valni uzorak na drugoj strani koju žele. S dovoljno brige, zvučni valovi mogu proizvesti određeni hologram na određenoj udaljenosti.

"U osnovi je kao stavljanje maske ispred zvučnika", rekao je Cummer. "Izgleda da zvuk dolazi iz složenijih izvora nego što jest."

Cummer i Xie, u suradnji s Yun Jingom, docentom mehaničkog i zrakoplovnog inženjeringa u NC State-u, ​​i Tarry Shen, doktorskim studentom u Jingovom laboratoriju, dokazali su da njihova zvukovna maska ​​djeluje na dva različita načina. U prvom su testu skupili metamatni zid koji je manipulirao dolaznim zvučnim valom u obliku poput slova "A", koji je bio udaljen oko pedeset metara. U drugoj su demonstraciji pokazali kako tehnika može usmjeriti zvučne valove u nekoliko "vrućih mjesta" - ili glasnih mrlja - zvuka, također pješice s uređaja.

Postoje postojeće tehnologije koje također mogu proizvesti taj učinak. Moderni ultrazvučni uređaji za snimanje, na primjer, koriste fazne nizove s mnogim pojedinačnim pretvaračima koji mogu proizvesti točno kontrolirane zvučne valove. Ali ovaj pristup ima svoje nedostatke.

"Ako ste ikada imali ultrazvuk, znate da postoji mali štapić pričvršćen na mnogo veći stroj udaljen nekoliko stopa", rekao je Cummer. "Ne samo da je ovo podešavanje neumjesno, nego troši ogromnu količinu energije. Naš pristup može pomoći u postizanju istog učinka u jeftinijem i manjem sustavu".

Da bi metamaterialni uređaj radio u takvim aplikacijama, međutim, svaka ćelija mora biti manja od valova kojima manipulira. A za ultrazvučne tehnologije koje djeluju u području megahercta, to znači da bi pojedine stanice trebale biti 100 puta manje nego u trenutnim demonstracijskim blokovima.

Cummer i Xie traže partnere iz industrije kako bi pokazali da je takva izrada mogla biti moguća. Oni također kupuju ideju oko industrija koje rade u kilohertz rasponu, kao što su antene senzora i imaging tehnologije. I, naravno, razgovaraju sa zvučnim tvrtkama kako bi jedan zvučnik zvučao više poput live orkestra.

"Trenutačno smo u istražnoj fazi, pokušavajući utvrditi gdje će ova tehnologija biti korisna", rekao je Xie. "Svaki scenarij u kojem je vaš cilj kontrola zvuka, ova bi ideja mogla biti raspoređena i mogla bi biti razmještena kako bi napravila nešto sasvim novo, ili napraviti nešto što već postoji bolje, jednostavnije ili jeftinije."

menu
menu