211service.com
Designad akustisk mantel
Stadsbor, ta det lugnt. Ingenjörer har designat ett material som omdirigerar ljud och som kan användas i byggnader för att skydda dem från ljud. Det ljudavskärmande materialet, som, om det faktiskt gjordes, skulle vara den första akustiska cloaking-anordningen, kan också vara användbart för att dölja militära fartyg och andra fartyg från ekolod.
Ljudsköld: En akustisk mantel som består av omväxlande lager av ljudspridande material ska göra föremål osynliga för ekolodet – och isolerade från ljud. I denna datorgenererade bild är en cylinder (grön cirkel) belagd med 200 lager av ett sådant material, vilket visade sig vara den optimala designen. Ljudvågor som rör sig från vänster till höger (deras toppar och dalar representeras av röda och blå linjer) flödar förbi objektet och reformeras på andra sidan utan förvrängning.
Akustiska mantelmaterial, som riktar ljudvågor runt ett föremål så att de omformas på andra sidan utan förvrängning, finns inte i naturen. Men ingenjörer ledda av José Sánchez-Dehesa vid Polytechnic University of Valencia, i Spanien, har skapat en plan för att göra dem, med användning av omväxlande lager av två olika material. Dessa material skulle bestå av uppsättningar av ljudkristaller - mönster av små stavar gjorda av aluminium eller andra material som tillåter vissa ljudvågor att passera samtidigt som de blockerar passagen för andra.
Utformningen av mantelmaterialen, publicerad i New Journal of Physics , visar att att göra en akustisk skärm kan göras på ett okomplicerat och enkelt sätt, säger Steven Cummer , en elektroingenjör vid Duke University som var involverad i konstruktionen av den första lätta kappan 2006.
Bygger på det teoretiska arbetet med John Pendry vid Imperial College i London, en grupp vid Duke University som leds av David R. Smith och inklusive Cummer skapade en sköld som gör objekt osynliga för en viss frekvens av mikrovågsljus. De använde metamaterial, artificiellt strukturerade kompositer designade för att ha egenskaper oöverträffade av naturliga material. I cirka 10 år har ingenjörer designat metamaterial för att manipulera ljus i hopp om att skapa nya skärmteknologier, mikroskoplinser och datorchips täta med transistorer. Det nya receptet för akustisk kappa bygger på Cummers senaste teoretiska arbete om akustiska material, och det visar att metamaterial kan användas för att manipulera ljudvågor såväl som ljusvågor. Cummer, som inte var involverad i Sánchez-Dehesas arbete, säger att det nu borde vara möjligt att tillverka en akustisk mantel.
För att ett material ska fungera som en akustisk mantel måste ljudhastigheten som passerar genom det vara riktningsberoende. Det vill säga att ljudvågor som rör sig genom skärmningsmaterialet från en riktning måste röra sig med en annan hastighet än vågor som rör sig i en vinkelrät riktning. Dessa skillnader skapar spridningseffekter som bör styra ljudvågor att flöda över ett avskärmat föremål som vatten som rinner runt en sten. Eftersom vågorna återgår till sin ursprungliga konformation efter att ha passerat ett sådant avskärmat föremål, blir föremålet i praktiken osynligt för ekolod. Och en lyssnare inuti en sådan sköld skulle inte höra ljuden flöda runt.
Sánchez-Dehesa har modellerat en tvådimensionell akustisk mantel men säger att det borde vara enkelt att extrapolera hans arbete till tre dimensioner. Vi föreslår en mantel för vilken form som helst, säger han. Att gömma örlogsfartyg från ekolod är en möjlig tillämpning. Men Sánchez-Dehesa är intresserad av problemet med buller i allmänhet. I princip, säger han, är det möjligt att göra den här kappan väldigt tunn, i storleksordningen centimeter. Om vi kan designa en vägg för att sätta i ett hus för att avskärma externt brus, skulle det vara väldigt trevligt. Cummer föreställer sig kolumner för konserthus som utför konstruktionsarbete men, akustiskt, faktiskt inte är där.
Till skillnad från lätta kappor, som kan skärma objekt från ljus med endast en frekvens, bör akustiska kappor kunna skärma ett objekt till ett brett spektrum av frekvenser. Enligt Einsteins speciella relativitetsteori kan ljussköldar bara fungera vid en våglängd. När en våg rör sig runt ett [döljande] material måste den gå snabbare än den gör genom luften, förklarar Cummer. Enligt fysikens lagar är det inte möjligt att göra detta med mer än en frekvens åt gången. Ljudhastigheten är dock inte en universell konstant, så det borde vara möjligt att skapa akustiska bredbandsmantel.
Enligt Sánchez-Dehesas design måste tjockleken på de alternerande skikten som utgör ljudskärmen kontrolleras mycket noggrant. Cummer säger att detta kommer att innebära en ingenjörsmässig utmaning, men inte en oöverstiglig. I själva verket, säger Cummer, ger designen för en ljudsköld konstruerade akustiska material en stor push framåt.