211service.com
Akustisk kappe designet
Byboere, tag det roligt. Ingeniører har designet et materiale, der omdirigerer lyde og kan bruges i bygninger for at beskytte dem mod støj. Det lydafskærmende materiale, som, hvis det rent faktisk blev lavet, ville være den første akustiske tilsløringsanordning, kunne også være nyttig til at skjule militærskibe og andre fartøjer for sonar.
Lydskærm: En akustisk kappe bestående af skiftende lag af lydspredende materialer skal gøre genstande usynlige for ekkolod – og isoleret fra lyd. I dette computergenererede billede er en cylinder (grøn cirkel) belagt med 200 lag af et sådant materiale, hvilket viste sig at være det optimale design. Lydbølger, der bevæger sig fra venstre mod højre (deres toppe og lavpunkter er repræsenteret af røde og blå linjer) strømmer forbi objektet og forvandles på den anden side uden forvrængning.
Akustiske tildækningsmaterialer, som leder lydbølger rundt om et objekt, så de omdannes på den anden side uden forvrængning, findes ikke i naturen. Men ingeniører ledet af José Sánchez-Dehesa ved det polytekniske universitet i Valencia, i Spanien, har lavet en plan for at lave dem ved at bruge vekslende lag af to forskellige materialer. Disse materialer ville omfatte rækker af soniske krystaller - mønstre af små stænger lavet af aluminium eller andre materialer, der tillader nogle lydbølger at passere, mens de blokerer passagen af andre.
Designet af kappematerialerne, offentliggjort i New Journal of Physics , viser, at det at lave et akustisk skjold kan gøres på en ligetil og enkel måde, siger Steven Cummer , en elektroingeniør ved Duke University, der var involveret i konstruktionen af den første lette kappe i 2006.
Bygger på det teoretiske arbejde af John Pendry på Imperial College i London, en gruppe på Duke University ledet af David R. Smith og herunder Cummer skabte et skjold, der gør objekter usynlige for en bestemt frekvens af mikrobølgelys. De brugte metamaterialer, kunstigt strukturerede kompositter designet til at have egenskaber uovertruffen af naturlige materialer. I omkring 10 år har ingeniører designet metamaterialer til at manipulere lys i håbet om at skabe nye skærmteknologier, mikroskoplinser og computerchips tæt med transistorer. Den nye akustiske kappe-opskrift bygger på Cummers seneste teoretiske arbejde med akustiske materialer, og den viser, at metamaterialer kan bruges til at manipulere lydbølger såvel som lysbølger. Cummer, som ikke var involveret i Sánchez-Dehesas arbejde, siger, at det nu skulle være muligt at fremstille en akustisk kappe.
For at et materiale kan fungere som en akustisk kappe, skal lydhastigheden, der passerer gennem det, være retningsafhængig. Det vil sige, at lydbølger, der bevæger sig gennem afskærmningsmaterialet fra én retning, skal bevæge sig med en anden hastighed end bølger, der bevæger sig i en vinkelret retning. Disse forskelle skaber spredningseffekter, der skal lede lydbølger til at flyde over et afskærmet objekt som vand, der flyder rundt om en sten. Fordi bølgerne vender tilbage til deres oprindelige konformation efter at have passeret et sådant afskærmet objekt, bliver objektet effektivt usynligt for sonar. Og en lytter inde i sådan et skjold ville ikke høre lydene flyde rundt.
Sánchez-Dehesa har modelleret en todimensionel akustisk kappe, men siger, at ekstrapolering af hans arbejde til tre dimensioner burde være ligetil. Vi foreslår en kappe til enhver form, siger han. At skjule krigsskibe fra sonar er en mulig anvendelse. Men Sánchez-Dehesa er interesseret i problemet med støj generelt. I princippet, siger han, er det muligt at gøre denne kappe meget tynd, i størrelsesordenen centimeter. Hvis vi er i stand til at designe en væg til at sætte i et hus for at afskærme ekstern støj, ville det være meget rart. Cummer forestiller sig søjler til koncertsale, der udfører konstruktionsarbejde, men som akustisk rent faktisk ikke er der.
I modsætning til lette kapper, som kan afskærme objekter fra lys med kun én frekvens, bør akustiske kapper være i stand til at afskærme en genstand til en bred vifte af frekvenser. Ifølge Einsteins specielle relativitetsteori kan lysskjolde kun arbejde ved én bølgelængde. Når en bølge bevæger sig rundt om et [tildækkende] materiale, skal den gå hurtigere, end den gør gennem luften, forklarer Cummer. Ifølge fysikkens love er det ikke muligt at gøre dette ved mere end én frekvens ad gangen. Lydens hastighed er dog ikke en universel konstant, så det burde være muligt at lave bredbåndsakustiske kapper.
Ifølge Sánchez-Dehesas design skal tykkelsen af de skiftende lag, der udgør lydskjoldet, kontrolleres meget nøje. Cummer siger, at dette vil udgøre en teknisk udfordring, men ikke en uoverkommelig. Faktisk, siger Cummer, giver designet til et lydskjold faktisk konstruerede akustiske materialer et stort skub fremad.