В исследовании, опубликованном в Science Advances, учёные из Датского технического университета и Политехнического университета Мадрида продемонстрировали новое устройство под названием излучатель акустической радуги (ARE), которое принимает широкополосные сигналы белого шума от точечного источника, излучающего звук равномерно во всех направлениях, и рассеивает его так, что излучаются разные частоты звука.
Как это работает
Подобно тому, как призма разделяет белый свет на радугу, устройство ARE направляет каждую частоту в разные стороны, создавая акустическую радугу.
В природе некоторые животные — например, люди, летучие мыши и дельфины — имеют сложные уши, которые могут улавливать, формировать и направлять звук, помогая им ощущать окружающее пространство и ориентироваться в нём.
Несмотря на обилие природных примеров, людям было сложно разработать системы, работающие в широком диапазоне частот. В отличие от природы, где для формирования звука используются пассивные структуры, большинство искусственных систем управления звуком требуют активных устройств или систем, основанных на резонансе.
Инновационный подход
Исследователи использовали вычислительный морфогенез — процесс, который использует алгоритмы для структурной оптимизации и анализа методом конечных элементов для генерации сложных форм.
С помощью таких инструментов, как оптимизация топологии, точное волновое моделирование и современные технологии изготовления, такие как 3D-печать, учёные получили беспрецедентную свободу для проектирования сложных структур, которые могут управлять звуком совершенно новыми способами.
Это позволило им итеративно корректировать форму твёрдого материала, чтобы контролировать излучаемый звук и соответствовать определённому шаблону по частотам.
Учёные также использовали уравнение Гельмгольца для моделирования распространения и рассеяния звука в воздухе вокруг жёсткой, отражающей звук структуры.
На основе данных, собранных с помощью вычислительных моделей, команда создала новый цельный объект из одного материала со сложными рассеивающими свойствами, который может улавливать смесь звуковых частот из одного источника и разделять их на спектральные составляющие, создавая акустическую радугу.
Помимо излучателя акустической радуги, исследователи разработали лямбда-разветвитель, который принимает смесь звуковых частот и направляет низко- и высокочастотные звуковые волны в разные стороны.
Оба устройства работают на принципе пассивного рассеяния, где акустическая система приводится в движение исключительно взаимодействием между твёрдой пластиковой поверхностью и звуковыми волнами, не требуя электричества.
Исследователи отмечают, что это исследование демонстрирует потенциал вычислительного морфогенеза для точного формирования того, как звуковые поля излучаются и принимаются, предоставляя ценную информацию для дисциплин, занимающихся волновым зондированием и управлением.