I ricercatori di Metamaterials della Duke University hanno dimostrato la progettazione e la costruzione di un materiale sottile in grado di controllare il reindirizzamento e la riflessione delle onde sonore con un'efficienza quasi perfetta.

Mentre sono stati proposti molti approcci teorici per progettare un tale dispositivo, hanno lottato per controllare simultaneamente sia la trasmissione che la riflessione del suono esattamente nel modo desiderato, e nessuno è stato dimostrato sperimentalmente.

Il nuovo design è il primo a dimostrarsi completo, controllo quasi perfetto delle onde sonore ed è fabbricato rapidamente e facilmente utilizzando stampanti 3D. I risultati appaiono online il 9 aprile in Comunicazioni sulla natura .

"Controllare la trasmissione e la riflessione delle onde sonore in questo modo era un concetto teorico che non aveva un percorso per l'implementazione:nessuno sapeva come progettare una struttura pratica usando queste idee, " ha detto Steve Cummer, professore di ingegneria elettrica e informatica alla Duke. "Abbiamo risolto entrambi i problemi. Non solo abbiamo trovato un modo per progettare un dispositivo del genere, potremmo anche farne uno e testarlo. Ed ecco, funziona davvero."

Il nuovo design utilizza una classe di materiali chiamati metamateriali, materiali artificiali che manipolano le onde come la luce e il suono attraverso la loro struttura piuttosto che la loro chimica. Per esempio, mentre questo particolare metamateriale è realizzato in plastica stampata in 3D, non sono le proprietà della plastica che sono importanti, sono le forme delle caratteristiche del dispositivo che gli consentono di manipolare le onde sonore.

Il metamateriale è costituito da una serie di file di quattro colonne cave. Ogni colonna è quasi mezzo pollice su un lato con una stretta apertura tagliata al centro di un lato, facendolo sembrare in qualche modo la porta Ethernet più profonda del mondo. Mentre il dispositivo mostrato nel documento è alto 1,6 pollici e lungo quasi 3,5 piedi, la sua altezza e larghezza sono irrilevanti:in teoria potrebbe estendersi all'infinito in entrambe le direzioni.

I ricercatori controllano come il dispositivo manipola il suono attraverso la larghezza dei canali tra ogni fila di colonne e la dimensione della cavità all'interno di ogni singola colonna. Alcune colonne sono spalancate mentre altre sono quasi chiuse.

Per capire perché, pensa a qualcuno che soffia aria sulla parte superiore di una bottiglia di vetro:il passo che fa la bottiglia dipende dalla quantità di liquido rimasto all'interno della bottiglia. Allo stesso modo, ogni colonna risuona a una frequenza diversa a seconda di quanto è piena di plastica.

Mentre un'onda sonora viaggia attraverso il dispositivo, ogni cavità risuona alla sua frequenza prescritta. Questa vibrazione non solo influisce sulla velocità dell'onda sonora, ma interagisce con le cavità vicine per domare sia la trasmissione che la riflessione.

"I dispositivi precedenti potevano modellare e reindirizzare le onde sonore modificando la velocità di diverse sezioni del fronte d'onda, ma c'era sempre una dispersione indesiderata, " ha detto Junfei Li, uno studente di dottorato nel laboratorio di Cummer e primo autore dell'articolo. "Devi controllare sia la fase che l'ampiezza sia della trasmissione che della riflessione dell'onda per avvicinarti a efficienze perfette."

Per complicare le cose, le colonne vibranti non solo interagiscono con l'onda sonora, ma anche con le colonne circostanti. Li aveva bisogno di scrivere un "programma di ottimizzazione del computer evolutivo, ' per lavorare attraverso tutte le permutazioni progettuali.

I ricercatori forniscono al programma le condizioni al contorno necessarie su ciascun lato del materiale per dettare come vogliono che si comportino le onde in uscita e riflesse. Dopo aver provato una serie casuale di soluzioni progettuali, il programma mescola varie combinazioni delle migliori soluzioni, introduce "mutazioni casuali, " e poi esegue di nuovo i numeri. Dopo molte iterazioni, il programma alla fine "evolve" un insieme di parametri di progettazione che forniscono il risultato desiderato.

Nella carta, Cummer, Li e colleghi dimostrano che una tale serie di soluzioni può reindirizzare un'onda sonora che arriva direttamente al metamateriale a un angolo di uscita netto di 60 gradi con un'efficienza del 96 percento. I dispositivi precedenti sarebbero stati fortunati a raggiungere un'efficienza del 60% in tali condizioni. Mentre questa particolare configurazione è stata progettata per controllare un'onda sonora a 3, 000 Hertz - un tono molto alto non dissimile da ottenere un "ronzio nelle orecchie" - i metamateriali potrebbero essere ridimensionati per influenzare quasi tutte le lunghezze d'onda del suono.

I ricercatori e i loro collaboratori stanno pianificando di trasferire queste idee alla manipolazione delle onde sonore in acqua per applicazioni come sonar, anche se non ci sono idee per applicazioni in aria. Almeno non ancora.

"Quando si parla di onde, Ricorro spesso all'analogo di una lente ottica, " ha detto Cummer. "Se hai provato a creare occhiali molto sottili usando gli stessi approcci che questo tipo di dispositivi hanno usato per il suono, puzzerebbero. Questa dimostrazione ora ci consente di manipolare le onde sonore in modo estremamente accurato, come una lente per il suono che sarebbe molto meglio di quanto fosse possibile in precedenza."