杜克大學(xué)新型3D打印超材料完美地重定向和反射聲波

杜克大學(xué)研究人員利用3D打印技術(shù)創(chuàng)建能夠以前所未有的效率控制聲波重定向的設(shè)備，它是同類(lèi)產(chǎn)品中第一款成功演示近乎完美的聲音傳輸和反射控制的設(shè)備。該設(shè)計(jì)利用了一種被稱為超材料的材料，它們是人造材料，可以通過(guò)它們的結(jié)構(gòu)操縱波浪般的光線和聲音，而不是它們的化學(xué)成分。該研究證明可能對(duì)各種水下聲音應(yīng)用有用，例如聲納技術(shù)。

超材料經(jīng)過(guò)工程加工可同時(shí)完美傳輸和反射聲波
薄塑料裝置使用3D打印技術(shù)制造。它的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成由一系列四列空心柱組成。每一列在一邊中間有一個(gè)狹窄開(kāi)口，寬度為近一英寸。行間通道寬度的變化以及每個(gè)柱內(nèi)腔的大小，使研究人員能夠精確地操縱聲波?？涨粫?huì)以規(guī)定的頻率振動(dòng)，這會(huì)影響相鄰空腔的振動(dòng)，以限制聲波的傳播和反射。

幾何細(xì)節(jié)新材料
根據(jù)杜克大學(xué)博士生JunfeiLi說(shuō)：“以前的設(shè)備可以通過(guò)改變波前不同部分的速度來(lái)改變聲波的頻率和方向，但總會(huì)有不必要的散射。你必須控制聲波的傳輸和反射的相位和振幅，以達(dá)到完美的效率?！?br />

傳出波和反射波
為了找到超材料的最佳結(jié)構(gòu)，研究員設(shè)計(jì)了一個(gè)特殊的計(jì)算機(jī)程序。在這個(gè)計(jì)劃中，研究人員提供了材料每一面所需的邊界條件，以便決定他們希望傳出波和反射波如何表現(xiàn)。該程序嘗試隨機(jī)解決方案，并最終在多次不同的迭代之后找到一組最佳的設(shè)計(jì)參數(shù)。
該文件中展示的設(shè)置涉及3,000Hz的聲波。該結(jié)構(gòu)能夠?qū)⒅本€上的聲波重新引導(dǎo)至60度的尖銳射角。效率約為96％，接近完美，遠(yuǎn)高于過(guò)去類(lèi)似設(shè)置效率預(yù)計(jì)的60％?？梢詫?duì)同一個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行修改和縮放，以成功控制幾乎任何波長(zhǎng)的聲波。這個(gè)演示現(xiàn)在允許非常準(zhǔn)確地操縱聲波,在談?wù)撀暡〞r(shí)，回到光學(xué)鏡頭的模擬上。

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