Физики из Института интеллектуальных систем общества Макса Планка разработали новую технику акустической голографии, позволяющую создавать звуковые поля рекордно сложных форм. Основным применением для нее авторы называют акустическую левитацию и манипуляцию миниатюрными объектами. В основе техники лежит моделирование и печать голограмм с помощью 3D-принтера. Исследование опубликовано в журнале Nature.

Акустическая левитация — методика, в которой с помощью звуковых волн (они же являются волнами давления, например, в воздухе или в воде) ученые управляют движением частиц в пространстве. Такие манипуляции позволяют работать с объектами, которых по какой-то причине нельзя касаться. Например, с помощью достаточно мощных источников звука можно добиться левитации капель расплавленного металла. Для того чтобы зафиксировать левитируемый объект в пространстве, необходимо создать стоячую акустическую волну. Распределение давлений в ней словно бы не меняется со временем — изменяется лишь амплитуда волны. 

Схема эксперимента по созданию акустического поля сложной формы: печать голограммы на 3D-принтере, внешний вид голограммы и ее создание поля колебаний давления в жидкости. Nature / Youtube

Традиционно для акустической левитации используется пара источников звука, волны от которых интерферируют, формируя стоячую волну. Однако она позволяет управлять положением частиц лишь вдоль одной оси. Если требуется создать более сложные конструкции из левитируемых объектов, инженеры используют массивы из нескольких источников звука — интерференция излучения приводит к возникновению полей давления сложной формы. Работа с такими системами требует высокой точности настройки устройств — к примеру, их рабочие частоты должны совпадать, а положение источников должно быть четко определено. С помощью такой техники в 2015 году физики создали «притягивающий луч».

Эксперимент по акустической левитации капель воды. Dan Harris / Argonne National Laboratory / Flickr

Альтернативой использованию большого количества источников звука является акустическая голография. Ее традиционный оптический аналог позволяет создавать сложные световые поля с помощью одного источника света (лазера) и специальной пластинки. В последней записывается информация о направлении и фазе излучения, падающего на нее. Для создания лазерной голограммы используется лазер, часть излучения которого отражается от «записываемого» объекта, а часть напрямую падает на фоточувствительную пластинку. Результат интерференции между этими лазерными пучками и оказывается записан в пластинке.

Для создания акустических голограмм можно использовать аналогичные методики, связанные с записью интерференционных картин звуковых волн. Однако разрешение, требуемое для их создания, гораздо меньше, чем для оптических. Благодаря этому акустические голограммы можно создавать и напрямую, не имея «образца» звукового поля. В новой работе авторы продемонстрировали, что для этого можно использовать 3D-печать.

Схема создания акустической голограммы. Kai Melde et al. / Nature, 2016

На первом этапе создания голограммы физики моделировали интерференционную картину, которая возникнет при сложении записываемого звукового поля и опорного акустического излучения. Затем исследователи использовали трехмерную модель этой картины для 3D-печати голографической пластинки из обычного пластика. Для чтения голограммы пластинку закрепляли на источнике ультразвука и помещали под воду.

Авторы проверили работоспособность методики на акустических полях сложной формы. Так, ученым удалось создать стоячую волну, повторяющую по форме «Голубя мира» Пабло Пикассо, и использовать ее для самосборки частиц. Кроме того, физики показали, что с помощью той же техники можно заставить частицы двигаться по определенным траекториям и левитировать.

Движение частицы в акустическом поле, созданном с помощью голограммы (видна под частицей). Kai Melde et al. / Nature, 2016

Ученые отмечают, что новая методика позволяет создавать звуковые поля с огромным количеством степеней свободы — варьируемых параметров. По оценкам физиков, сложность создаваемых полей примерно в сто раз превышает остальные ультразвуковые техники.

Эксперимент по левитации пары частиц в звуковом поле, созданном с помощью отражения опорного акустического сигнала от голограммы. Kai Melde et al. / Nature, 2016

Недавно физики из Великобритании и Бразилии побили рекорд размера левитируемого объекта. Традиционные методики акустической левитации ограничены диаметром частиц в четверть длины волны используемого излучения — ученые превзошли это ограничение почти в 15 раз. Другой группе британских ученых удалось создать прототип левитационных перчаток. Одним из применений таких устройств является манипуляция объектов в условиях микрогравитации. 

Автор: Владимир Королёв