Физики из университетов Дьюка и Северной Каролины разработали модульный конструктор, на основе которого можно создавать акустические голограммы. Он состоит из 12 различных видов блоков, каждый из которых определенным образом воздействует на проходящую звуковую волну. Вместе они формируют массив субволновых пикселей, преобразующий фронт звуковой волны заранее запрограммированным способом. Исследование опубликовано в журнале Scientific Reports, кратко о нем сообщает пресс-релиз Университета Дьюка.

Голограмма — способ записи информации о волновом фронте. В отличие от фотографии оптическая голограмма хранит в себе кроме интенсивности сигнала в данной точке пространства еще и информацию о фазе приходящей волны. Благодаря этому можно считать голограмму и создать точную копию светового поля объекта, излучение от которого было записано методами голографии. Сама по себе голограмма представляет собой отпечаток интерференционной картины — результата сложения светового поля (создаваемого отражением лазера от предмета) и опорного луча лазера. Прочитать ее можно двумя путями: отразив от голограммы свет опорного лазера или же пропустив его луч через нее. 

Собранная из «пикселей» голограмма во время тестирования. Стена обладает необычной формой для эффективного поглощения звуков — отраженные волны могут помешать эксперименту. Duke University

Звуковые волны — волны колебания давления в воздухе, поэтому для них тоже применимы голографические техники. Поскольку характерная длина звуковых волн гораздо больше, чем длина волн света, акустические голограммы можно создавать напрямую. Для этого требуется сначала смоделировать интерференционную картину, а затем, каким либо способом воспроизвести ее в материале. Например, недавно физики показали, что в этом может помочь 3D-принтер. 

Модели пикселей, использованных в работе. Steve Cummer, Duke University

В новой работе ученые показали, что для создания голограммы можно использовать своеобразный «конструктор», состоящий из 12 типов 3D-печатных пикселей. Каждый из них представляет собой спираль разной степени скрученности. Чем сильнее скручена спираль, тем медленнее акустическая волна проходит через нее. Проходя через массив определенным образом расположенных пикселей волновой фронт изменяется определенным образом. К примеру, если левая часть массива будет замедлять звук, а правая пропускать почти без изменений, то волновой фронт словно бы изогнется влево. 

Внешний вид голограммы. Steve Cummer, Duke University

В качестве демонстрации методики физики собрали голограмму таким образом, чтобы проходя сквозь нее звуковой фронт принимал форму буквы «А». Авторы поясняют, что сложная форма звукового фронта может сделать звук реалистичнее: словно бы он исходит не от точечного источника, а от объекта более сложной формы.

«Кто угодно может заметить разницу между звуком от одного динамика и от струнного квартета, играющего вживую перед ним. Отчасти это связано с тем, что звук несет не в себе не только ноты и громкость, но еще и пространственную информацию» — рассказывает Янбо Си, соавтор исследования.

Преобразование плоской звуковой волны, прошедшей через голограмму, в А-образный фронт. Duke University

Помимо акустических голограмм для управления фронтов звуковых волн используются массивы динамиков. Несмотря на гибкость этого подхода — в то время, как одна голограмма соответствует лишь одному фронту, массив может создавать массу различных фронтов, — он обладает рядом минусов. В частности, критическим является совпадение звуковых частот и точность расположения динамиков. Этой проблемы лишены акустические голограммы. Интересным применением для них является акустическая левитация, о которой мы рассказывали ранее.

Автор: Владимир Королёв