Звуковые волны движутся так же, как световые. Они движутся по прямому пути, но этот путь — за счет отражения, дифракции или преломления — может быть искривлен. Это основа для ультразвуковой медицинской визуализации и неразрушающего контроля материалов.
В последние годы ведутся интенсивные поиски методов, которые могут изгибать пути звуковых волн по искривленной траектории, чтобы удовлетворить более строгие требования к визуализации сверхвысокого разрешения, акустической маскировке и другим экзотическим приложениям. Были разработаны искусственные наноконструкции, известные как «метаматериалы», которые могут в достаточной степени изгибать звуковые волны, но природа этих материалов накладывает ограничения на их применение, особенно в биологических целях.«Нам нужно найти способы изгибать поля акустических волн, не зависящие от использования высокотехнологичной среды», — говорит Сян Чжан, директор отделения материаловедения лаборатории Беркли. «Используя нашу технику балки из бутылок, мы можем проектировать и синтезировать акустические бутылки, которые способны направлять звуковые волны по траекториям желаемой кривизны через однородное пространство без необходимости использования метаматериалов или любой другой высокотехнологичной среды».
Чжан, который также занимает должность профессора кафедры Эрнеста С. Ку в Калифорнийском университете (UC) в Беркли, руководит Центром наномасштабной науки и инженерии Национального научного фонда и является членом Института нанонаучных исследований энергии Кавли (ENSI) в Беркли. Он и его группа получили международное признание за исследования, связанные с манипуляциями со светом и звуком, которые дали некоторые экстраординарные результаты — маскирующее устройство невидимости, плазмонный луч Эйри, искривляющий свет, первая в мире акустическая гиперлинза, четырехмерный кристалл, который навсегда сохранит идеальное время и многое другое.В этом последнем проекте три члена исследовательской группы Чжана, Пэн Чжан, Тунцан Ли и Цзе Чжу, создали акустическую «бутылку» с трехмерной изогнутой оболочкой, в которой стена с высоким акустическим давлением окружает область нулевого давления в середина. Звуковые волны, образующие бутылку, концентрируются в пучке, который проходит через стенку высокого давления ее изогнутой оболочки.
Звуковые волны генерируются массивом громкоговорителей диаметром 1,5 см и промежутками 2,5 см друг от друга, работающих на частоте 10 килогерц (кГц), и могут быть запущены по заданной траектории путем точной настройки фазового профиля динамика. множество.«Поскольку принцип отрегулированных фазированных решеток хорошо известен и теперь используется в ультразвуковой визуализации, мы можем напрямую применить нашу технику акустического пучка к современным акустическим системам», — говорит Пэн Чжан, ведущий автор статьи в Nature Communications, в которой это описано. Работа. «Наша техника предлагает новую степень свободы для произвольного управления потоком акустической энергии».Поскольку стенка акустической бутылки высокого давления оказывает тянущее усилие, звуковые волны не проходят через внутреннюю часть бутылки с нулевым давлением, и бутылку можно использовать для акустического улавливания.
Кроме того, на балку бутылки не влияют какие-либо препятствия, помещенные внутри бутылки, и она может даже восстанавливаться, когда препятствие преграждает путь, как исследователь продемонстрировал с помощью стального стержня.«Наши акустические балки для бутылок открывают новые возможности для приложений, в которых существует потребность в доступе к труднодоступным объектам, скрытым за препятствиями, таким как акустическая визуализация и терапевтический ультразвук через неоднородные среды», — говорит соавтор Ли. «Мы также можем использовать акустическую бутылку в качестве маскирующего устройства, перенаправляя звуковые волны вокруг объекта, а затем возвращая их в их первоначальную форму, делая объект невидимым для обнаружения сонара».
Акустические балки для бутылок также могут служить еще одним приложением, которое в наши дни считается одним из самых популярных в сообществе высоких технологий — акустической левитацией, в которой звуковые волны используются для подъема и управления объектами миллиметрового размера, включая частицы, микроорганизмы и капли воды. Недавнее исследование, в котором сообщалось об использовании стоячих звуковых волн для трехмерной графической печати, было признано крупным прорывом.«Наши акустические балки для бутылок могут делать то же самое, но предлагают лучшую стабильность, настоящую трехмерную графику и большую свободу движений, поскольку наш луч может распространяться по изогнутой траектории», — говорит соавтор Зу. «Мы также можем левитировать гораздо более крупные трехмерные объекты, чем можно поднимать и манипулировать другими методами акустической левитации».Суй Ян, другой соавтор статьи Nature Communications и член исследовательской группы Чжана, отмечает, что способность захватывать объекты больше половины длины волны, предлагаемые акустическими балками для бутылок, также может добавить важные новые инструменты для исследований, связанных с материалами.
«Эти гигантские акустические ловушки могут привести к появлению новых технологий и устройств для различных применений в химии, материалах, а также биологических науках», — говорит он. «Например, создав эту трехмерную акустическую ловушку, похожую на бутылку, мы могли бы использовать ее в качестве микрохимического реактора и манипулировать устройствами для незаконного оборота биологических материалов».Документ Nature Communications, в котором описывается это исследование, озаглавлен «Генерация акустических самогибочных и балочных лучей с помощью фазовой инженерии». Дополнительными соавторами были Сюэфэн Чжу, Суй Ян, Юань Ван и Сяобо Инь.
Это исследование было поддержано программой MURI Управления военно-морских исследований.