Questo "metamateriale" controlla in che modo il suono si riflette su di esso controllando la velocità e l'ampiezza dell'onda sonora attraverso i canali e le forme costruiti al suo interno. Credito:Steve Cummer, Duke University
I ricercatori della Duke University e della Aalto University (Finlandia) hanno costruito un dispositivo "meta-specchio" in grado di riflettere perfettamente le onde sonore in qualsiasi direzione. La dimostrazione della dimostrazione del principio è analoga a guardare direttamente in uno specchio e vedere solo la persona accanto a te invece del tuo stesso volto.
La ricerca è apparsa online il 15 febbraio sulla rivista Progressi scientifici .
"Quando guardi in uno specchio di tutti i giorni, la luce segue la Legge della Riflessione:la luce deve rimbalzare su di essa con la stessa angolazione con cui è entrata, " ha detto Junfei Li, uno studente di dottorato in ingegneria elettrica e informatica alla Duke University. Le stesse regole si applicano generalmente al suono, ma "volevamo vedere se potevamo invece inviare un'onda in una direzione diversa".
Per infrangere la legge della riflessione con le onde sonore, i ricercatori hanno dovuto progettare un dispositivo in grado di controllare con precisione l'ampiezza (intensità) e la velocità durante l'intera onda, che è ancora più difficile di quanto sembri.
"Un modo per raggiungere questo obiettivo è lanciare magicamente un'onda sonora controllata con precisione che "colpisce" l'onda sonora in arrivo come palline su un tavolo da biliardo, " ha detto Li. "Ma provare a farlo causerebbe così tanti problemi che non è un'idea pratica".
Invece di ricorrere alla magia, Li e i suoi colleghi si sono rivolti ai 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 il particolare metamateriale progettato dai ricercatori è fatto di plastica, non sono le proprietà della plastica che sono importanti; sono le forme delle caratteristiche del dispositivo che gli consentono di dirigere le onde sonore in qualsiasi direzione.
Il "meta-specchio" è stato accuratamente progettato per far riflettere un'onda sonora che arriva dritta su di esso con un'angolazione diversa senza perdite di diffusione. Credito:Steve Cummer, Duke University
La superficie del metamateriale assomiglia molto a un'onda stessa, inciso con una serie di canali di varie profondità. Queste profondità sono progettate per controllare con precisione la velocità con cui l'onda sonora si riflette su vari punti del meta-specchio. Il loro posizionamento a forma di onda controlla l'ampiezza dell'onda sonora.
"Perché un'onda sonora trasporta energia, devi dargli un calcio per reindirizzarlo, " ha detto Steve Cummer, professore di ingegneria elettrica e informatica alla Duke. "Ma per farlo perfettamente, o devi ridistribuire attivamente l'energia lungo la superficie del meta-specchio, che non è fattibile, oppure devi scegliere abilmente una forma in cui la distribuzione dell'energia finisce per essere la stessa ovunque."
Come un'onda sonora colpisce il meta-specchio, si riflette sulle sue superfici curve e interferisce con se stesso. Tra la forma del metaspecchio e la profondità dei suoi canali, questo schema di interferenza fa sì che l'onda sonora si rifletta in una direzione desiderata senza che alcuna della sua energia venga assorbita o dispersa in una direzione indesiderata.
Nella dimostrazione del proof of concept, il dispositivo metamateriale prende un'onda sonora che viaggia direttamente verso di esso a 3, 000 Hertz, un tono molto alto non dissimile da ottenere un "ronzio nelle orecchie, " e lo riflette perfettamente con un angolo di 70 gradi.
Modelli teorici e risultati sperimentali di un'onda sonora (alternando fronti rosso e blu) che si riflette in una direzione strana su un "meta-specchio" relativamente piatto. Credito:Steve Cummer, Duke University
Mentre il dispositivo prototipo è specificamente adattato a una frequenza e un angolo di riflessione, i ricercatori hanno in programma di perseguire un dispositivo dinamico che potrebbe cambiare forma per riflettere frequenze diverse in direzioni diverse. Hanno anche in programma di lavorare su dispositivi simili per applicazioni di acustica subacquea.
Un dispositivo simile potrebbe essere creato anche per controllare le onde luminose, anche se le sue caratteristiche dovrebbero essere progettate su una scala molto più piccola, perché le lunghezze d'onda della luce sono più corte. Un tale dispositivo non solo sarebbe in grado di riflettere la luce in direzioni diverse, però, potrebbe anche dividere una singola onda in due direzioni arbitrarie.
"Non solo abbiamo trovato un modo per progettare metasuperfici altamente efficienti, possiamo anche adattare il design per diverse funzionalità, " ha detto Ana Díaz-Rubio, un ricercatore post-dottorato presso l'Università di Aalto che ha guidato il lavoro sulla teoria alla base del progetto. "Queste metasuperfici sono una piattaforma versatile per il controllo arbitrario della riflessione".
