В исследовании, опубликованном в журнале Science Advances, учёные из Технического университета Дании и Политехнического университета Мадрида продемонстрировали новое устройство, называемое излучателем 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 звуковые частоты или тона.
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, человек, летучие мыши и дельфины — имеют сложные уши (пинии), которые могут улавливать, формировать и направлять звук удивительными способами, помогая им ощущать окружающее пространство и ориентироваться в нём.
Несмотря на обилие природных примеров, людям было сложно разработать системы, которые могли бы работать в широком диапазоне частот. В отличие от природы, где для формирования звука используются пассивные структуры, большинство искусственных систем управления звуком требуют активных устройств или резонансных систем.
Существующие акустические системы продемонстрировали разделение звука в закрытых помещениях, но им ещё предстоит достичь полностью контролируемого широкополосного управления звуком в свободном пространстве, подобно биологическим системам.
Исследователи этого исследования решили изменить ситуацию, используя подход, основанный на вычислительном морфогенезе — процессе, который использует алгоритмы для структурной оптимизации и анализа методом конечных элементов для генерации сложных форм.
С помощью таких инструментов, как оптимизация топологии, точное моделирование на основе волн и современные технологии изготовления, такие как 3D-печать, у исследователей была беспрецедентная свобода для проектирования сложных структур, которые могут управлять звуком совершенно новыми способами.
Это позволило им итеративно корректировать форму твёрдого материала, чтобы контролировать излучаемый звук в соответствии с определённым шаблоном по частотам. Исследователи 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 ARE, исследователи также 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 действие исключительно за счёт взаимодействия между твёрдой пластиковой поверхностью и звуковыми волнами, не требуя электричества. Излучатель радуги и лямбда-разветвитель — отличные примеры того, как разумное расположение пассивных структур может быть использовано для управления звуком без использования энергоёмких резонансов или активных компонентов.
Исследователи отмечают, что это исследование устанавливает потенциал вычислительного морфогенеза для точного формирования того, как звуковые поля излучаются и принимаются, предоставляя ценную информацию для дисциплин, занимающихся волновым зондированием и управлением.
Статья написана нашим автором Санджуктой Мондал, отредактирована Лизой Лок, проверена и рассмотрена Робертом Иганом. Эта статья — результат тщательной работы людей. Мы полагаемся на таких читателей, как вы, чтобы поддерживать независимую научную журналистику. Если вам важна такая журналистика, пожалуйста, рассмотрите возможность пожертвования (особенно ежемесячного). Вы получите бесплатную от рекламы учётную запись в знак благодарности.
© 2025 Science X Network