«فرا آینه» امواج صوتی را در هر جهت منعکس می‌کند

توضیح تصویر: فرا آینه با چنان دقتی طراحی شده است که یک موج صوتی که به طور مستقیم در آن قرار می گیرد را وادارد با زاویه‌ای متفاوت بازتاب شود همراه با از دست دادن های صفر در اثر پراکندگی.
اعتبار: استیو کومر، دانشگاه دوک
 
دستگاه جدید کاملاً زاویه بازتاب امواج صوتی را کنترل می‌کند.

محققان دانشگاه دوک و دانشگاه آلتو (فنلاند) یک دستگاه "فرا آینه" را که قادر است به طور کامل منعکس کننده امواج صوتی در هر جهت باشد، ساخته اند. تظاهرات اثبات اصل همانند نگاه مستقیم به یک آینه است و فقط دیدنِ شخصی که در کنار شما قرار دارد به جای دیدنِ چهره‌ی خودتان.
این پژوهش در روز 15 فوریه در مجله Science Advances به صورت آنلاین منتشر شد. محققان اما فرا سطح های جدیدی را برای دستکاری دلخواه امواج منعکس ساخته اند، که اساسا قانون را برای مهندسی بازتاب یک سطح در اراده طراح در می آورد.
 
لی، دانشجوی دکترا در مهندسی برق و کامپیوتر در دانشگاه دوک، گفت: "هنگامی که شما به یک آینه معمولِ هر روزتان نگاه می کنید، نور از قانون انعکاس پیروی می کند: نور باید از آن با همان زاویه ای که بر آن فرود آمده است، بازتاب کند." همان قوانین به طور کلی برای صدا نیز اعمال می شود، اما "ما می خواستیم ببینیم که آیا می توانیم به جای آن یک موج را در یک جهت متفاوت بفرستیم".

در زندگی روزمره ما می توانیم نمونه های بسیاری از دستکاری امواج منعکس شده از چیزهایی از قبیل آینه ها را برای دیدن بازتاب های مورد نظرمان یا سطوح بازتابنده برای صدا را پیدا کنیم که باعث بهبود آکوستیک صحنه می شود. هنگامی که یک موج بر روی یک سطح بازتابنده با یک زاویه خاص فرود می آید و انرژی به عقب فرستاده می شود، زاویه بازتاب برابر با زاویه ی فرود است. این قانون انعکاس کلاسیک برای هر سطح همگن معتبر است. محققان اما فرا سطح های جدیدی را برای دستکاری دلخواه امواج منعکس ساخته اند، که اساسا قانون را برای مهندسی بازتاب یک سطح در اراده طراح در می آورد.
 
برای نقض قانون انعکاس با امواج صوتی، محققان باید یک دستگاه را طراحی می کردند که دقیقا بتواند دامنه (بلندی صدا) و سرعت را در طول کل موج کنترل کند، که حتی بیشتر از صدای آن دشوار بود.
 
لی گفت: "یکی از راه هایی که ما می توانستیم نتیجه را به دست آوریم با راه اندازی جادویی یک موج صدای دقیقا کنترل شده است که با موج صوتی دریافتی مانند توپ در روی میز بیلیارد برخورد کند." "اما تلاش برای انجام این کار باعث ایجاد مشکلات بسیار زیادی می شود و این یک ایده عملی نیست." این شکل های ریخت های دستگاه است که به آن اجازه می دهد که امواج صوتی را در هر جهت به حرکت درآورد.

 
لی و همکارانش به جای استفاده از سحر و جادو، به فرا مواد رو کردند – یعنی مواد مصنوعی‌ای که بیشتر از شیمی‌شان از طریق ساختارشان امواجی مثل نور و صدا را کنترل می کنند. به عنوان مثال، در حالی که فرا مواد خاصی که محققان طراحی کرده اند از پلاستیک ساخته شده اند، خواص پلاستیکی مهم نیستند؛ این شکل های ریخت های دستگاه است که به آن اجازه می دهد که امواج صوتی را در هر جهت به حرکت درآورد.
 
سطح فرا ماده بسیار شبیه به خودِ یک موج است، با مجموعه ای از کانال هایی حفر شده با عمق های مختلف. این عمق ها مهندسی شده اند تا دقیقاً سرعتی را کنترل کنند که در آن موج صوتی از نقاط مختلف فرا آینه بازتاب می کند. تعیین موقعیت شبه موج آنها موجب کنترل دامنه امواج صوتی می شود.
 
استیو کومر، استاد مهندسی برق و کامپیوتر در دوک، گفت: "از آنجا که یک موج صدا انرژی حمل می کند، شما باید به آن ضربه بزنید تا مسیر آن را تغییر دهید." "اما برای انجام کامل این کار، شما یا مجبورید به طور فعالانه ای در طول سطح آینه مجددا توزیع انرژی کنید، که امکان پذیر نیست، یا باید به شکل هوشمندانه‌ای شکلی را انتخاب کنید که بر اثر آن توزیع انرژی در همه جا یکسان گردد." همان طور که یک موج صوتی به یک فرا آینه می خورد، از سطوح منحنی آن بازتاب می کند و با خود تداخل می کند.
 
همان طور که یک موج صوتی به یک فرا آینه می خورد، از سطوح منحنی آن بازتاب می کند و با خود تداخل می کند. بین شکل فرا آینه و عمق کانال های آن، این الگوی تداخلی منجر به موج صوتی بازتاب شده ای در جهت دلخواه بدون هیچ جذب یا پراکندگی در جهت های ناخواسته می شود.
 
در تظاهرات اثبات مفهوم، دستگاه فرا ماده یک موج صوتی را که به طور مستقیم به سمت آن در 3000 هرتز حرکت می کند می گیرد، 3000 هرتز گام صدای خیلی بالایی است که نامشابه با کسب یک «صدای زنگ در گوشتان» نیست، و به طور کامل آن را در یک زاویه 70 درجه‌ای منعکس می کند.
 
در حالی که دستگاه نمونه اولیه به طور خاص برای یک فرکانس و زاویه بازتابی طراحی شده است، محققان قصد دارند یک دستگاه پویا را دنبال کنند که بتواند شکل را تغییر دهد تا فرکانس های مختلف را در جهات مختلف تغییر دهد. آنها همچنین قصد دارند بر روی دستگاه های مشابه برای کاربردهای صوتی زیر آب کار کنند.
 
یک دستگاه مشابه نیز می تواند برای کنترل امواج نور ایجاد شود، هرچند ویژگی های آن باید در مقیاس بسیار کوچکتری طراحی شود، زیرا طول موج های نور کوتاه تر است. چنین دستگاهی قادر نیست که نور را در جهات مختلف بازتاب دهد، اما می تواند یک موج واحد را در دو جهت دلخواه تقسیم کند. 
این فرا سطح ها یک پلت فرم همه کاره برای کنترل دلخواه بازتاب است.
 
Ana D'az-Rubio، یک محقق پسا دکترا در دانشگاه آلتو که کار را بر روی نظریه اساسی پروژه انجام داد، گفت: "نه تنها ما راهی برای طراحی سطوح بسیار کارآمد را کشف کردیم، همچنین می توانیم طراحی را با ویژگی های مختلف تطبیق دهیم." "این فرا سطح ها یک پلت فرم همه کاره برای کنترل دلخواه بازتاب است."
 
این کار توسط آکادمی فنلاند و کمک مالی پژوهشی دانشگاه بین رشته ای از دفتر تحقیقات نیروی دریایی (N00014-13-1-0631) پشتیبانی شد.
 
منبع گزارش:
 
مطالب ارائه شده توسط دانشگاه دوک. اصل مقاله نوشته شده توسط Ken Kingery است.
 
بر گرفته از سایت science daily