Ученые разработали метод преломления звуковых колебаний, распространяющихся в открытом объеме воздуха, что позволило им создать своего рода акустическую «бутылку», которая может удерживать объекты, попавшие в ее ловушку. Разработанная акустическая технология может быть использована для выполнения различных действий, таких, как сортировка живых клеток, ультразвуковое сканирование с высокой разрешающей способностью и даже для создания устройств сокрытия – акустических плащей-невидимок, делающих объекты невидимыми для акустических радаров, сонаров.

Технология создания акустической «бутылки» была разработана сотрудниками лаборатории Сяна Занга (Xiang Zhang), профессора из Калифорнийского университета в Беркли.

Эта технология основана на точном управлении фазой, частотой и амплитудой звуковых волн, генерируемых десятками излучателей, расположенных в виде матрицы и обладающих очень широким динамическим диапазоном. Кроме этого, учеными было разработано специализированное программное обеспечение, которое позволяет рассчитать параметры звуковых волн для каждого из излучателей для того, чтобы получить требуемый образ преломления звуковых волн.

«Сначала мы должны задать то, что мы хотим получить в результате совместной работы излучателей звука. Разработанная нами программа рассчитает параметры волн для каждого из излучателей и на выходе мы получим преломленную звуковую волну заданной формы, которая может быть совершено фантастической» – рассказывает Джи Чжу (Jie Zhu), ученый из Политехнического университета Гонконга (Hong Kong Polytechnic University), который принимал участие в данных исследованиях.

В своих экспериментах ученые сначала использовали матрицу из 40 излучателей, диаметром 1.5 сантиметра каждый, расположенных на расстояния 2.5 сантиметра друг от друга. Эти излучатели генерировали звуковые колебания, частотой 10 килогерц, имеющие различную фазу и амплитуду. Такая матрица позволила ученым получить «плоские» звуковые волны, которые можно описать двумя пространственными измерениями. Но, когда количество излучателей было увеличено до 100, ученые получили возможность преломить звуковые волны в трех измерениях и сформировать акустическую «бутылку», стенки которой были сформированы областями высокого давления, а в ее центре находилась область с низким давлением.

Рис. 1.

Разница между давлением области стенок и в центре «бутылки» создает силу, которая может удерживать любую попавшую туда частицу. К сожалению, «бутылка», созданная в ходе первых опытов, была весьма слаба, но создаваемые ею силы можно легко увеличить, используя звуковые излучатели большей мощности. И это, в свою очередь, позволит использовать такую «бутылку» в качестве акустического пинцета, способного манипулировать отдельными молекулами в растворе, живыми клетками и более большими объектами.

Способность направлять звуковые волны по определенному пути может быть использована для существенного увеличения разрешающей способности технологии ультразвукового сканирования. Кроме этого, заставляя ультразвуковые колебания огибать внутренние органы и кости, можно добиться значительного увеличения глубины проникновения без необходимости увеличения мощности излучателей, что сделает технологию ультразвукового сканирования более безопасной для объекта сканирования.

В заключение стоит отметить, что разработанная технология управления звуковыми волнами является следствием более ранних исследований лаборатории профессора Сяна Занга, которые были нацелены на изучение и разработку метаматериалов, материалов, имеющих сложную внутреннюю структуру или структуру поверхности.

Используя необычные свойства метаматериалов, Занг и его коллеги разрабатывали устройства невидимости, которые могут скрывать объекты в диапазоне акустических волн и в различных диапазонах длин волн света.