211service.com
Zaprojektowany płaszcz akustyczny
Mieszkańcy miasta, śpij spokojnie. Inżynierowie zaprojektowali materiał, który przekierowuje dźwięki i może być używany w budynkach, aby chronić je przed hałasem. Materiał dźwiękochłonny, który, gdyby został faktycznie wykonany, byłby pierwszym akustycznym urządzeniem maskującym, mógłby również przydać się do ukrywania okrętów wojskowych i innych jednostek pływających przed sonarem.
Osłona dźwiękowa: Płaszcz akustyczny składający się z naprzemiennych warstw materiałów rozpraszających dźwięk powinien sprawić, że obiekty będą niewidoczne dla sonaru i odizolowane od dźwięku. Na tym wygenerowanym komputerowo obrazie cylinder (zielone kółko) jest pokryty 200 warstwami takiego materiału, który okazał się optymalnym projektem. Fale dźwiękowe poruszające się od lewej do prawej (ich szczyty i doliny są reprezentowane przez czerwone i niebieskie linie) przepływają obok obiektu i tworzą się po drugiej stronie bez zniekształceń.
Akustyczne materiały maskujące, które kierują fale dźwiękowe wokół obiektu w taki sposób, aby utworzyły się ponownie po drugiej stronie bez zniekształceń, nie istnieją w naturze. Ale inżynierowie kierowani przez José Sanchez-Dehesa na Politechnice w Walencji w Hiszpanii opracowali plan ich wykonania przy użyciu naprzemiennych warstw dwóch różnych materiałów. Materiały te składałyby się z szeregu kryształów dźwiękowych – wzorów małych prętów wykonanych z aluminium lub innych materiałów, które umożliwiają przechodzenie niektórych fal dźwiękowych, jednocześnie blokując przechodzenie innych.
Projekt materiałów maskujących, opublikowany w Nowy Czasopismo Fizyki , pokazuje, że wykonanie osłony akustycznej można wykonać w prosty i prosty sposób – mówi Stevena Cummera , inżynier elektryk z Duke University, który był zaangażowany w budowę pierwszego lekkiego płaszcza w 2006 roku.
Opierając się na pracach teoretycznych John Pendry w Imperial College w Londynie, grupa z Duke University kierowana przez David R. Smith a wraz z Cummerem stworzyli tarczę, która sprawia, że obiekty są niewidoczne dla określonej częstotliwości światła mikrofalowego. Wykorzystali metamateriały, sztucznie ustrukturyzowane kompozyty zaprojektowane tak, aby miały właściwości nieporównywalne z materiałami naturalnymi. Od około 10 lat inżynierowie projektują metamateriały do manipulowania światłem w nadziei na stworzenie nowych technologii wyświetlania, soczewek mikroskopowych i chipów komputerowych gęstych od tranzystorów. Nowa receptura płaszcza akustycznego opiera się na ostatnich pracach teoretycznych Cummera nad materiałami akustycznymi i pokazuje, że metamateriały mogą być wykorzystywane do manipulowania falami dźwiękowymi i świetlnymi. Cummer, który nie był zaangażowany w prace Sáncheza-Dehesy, mówi, że teraz powinno być możliwe wyprodukowanie płaszcza akustycznego.
Aby materiał działał jak płaszcz akustyczny, prędkość przechodzącego przez niego dźwięku musi być zależna od kierunku. Oznacza to, że fale dźwiękowe przechodzące przez materiał ekranujący z jednego kierunku muszą poruszać się z inną prędkością niż fale biegnące w kierunku prostopadłym. Różnice te tworzą efekty rozpraszania, które powinny kierować fale dźwiękowe tak, aby przepływały nad osłoniętym obiektem, takim jak woda opływająca skałę. Ponieważ fale powracają do swojej pierwotnej konformacji po przejściu przez taki osłonięty obiekt, obiekt staje się skutecznie niewidoczny dla sonaru. A słuchacz wewnątrz takiej osłony nie słyszałby dźwięków płynących dookoła.
Sánchez-Dehesa wymodelował dwuwymiarową pelerynę akustyczną, ale mówi, że ekstrapolacja jego pracy do trzech wymiarów powinna być prosta. Proponujemy pelerynę o dowolnym kształcie – mówi. Jednym z możliwych zastosowań jest ukrywanie okrętów wojennych przed sonarem. Ale Sánchez-Dehesa jest ogólnie zainteresowany problemem hałasu. W zasadzie, mówi, można zrobić ten płaszcz bardzo cienki, rzędu centymetrów. Jeśli jesteśmy w stanie zaprojektować ścianę do postawienia w domu, która będzie ekranować hałas z zewnątrz, byłoby bardzo fajnie. Cummer wyobraża sobie kolumny do sal koncertowych, które wykonują prace konstrukcyjne, ale akustycznie ich tam nie ma.
W przeciwieństwie do osłon świetlnych, które mogą osłaniać obiekty przed światłem o tylko jednej częstotliwości, osłony akustyczne powinny być w stanie osłonić obiekt w szerokim zakresie częstotliwości. Zgodnie z teorią szczególnej teorii względności Einsteina osłony świetlne mogą działać tylko przy jednej długości fali. Gdy fala porusza się wokół materiału [maskującego], musi lecieć szybciej niż w powietrzu, wyjaśnia Cummer. Zgodnie z prawami fizyki nie da się tego zrobić jednocześnie z więcej niż jedną częstotliwością. Prędkość dźwięku nie jest jednak stałą uniwersalną, dlatego powinno być możliwe wykonanie szerokopasmowych płaszczy akustycznych.
Zgodnie z projektem Sánchez-Dehesa grubość naprzemiennych warstw tworzących ekran dźwiękowy musi być bardzo dokładnie kontrolowana. Cummer twierdzi, że będzie to wyzwanie inżynieryjne, ale nie nie do pokonania. Rzeczywiście, mówi Cummer, projekt osłony dźwiękowej stanowi duży krok naprzód dla inżynieryjnych materiałów akustycznych.