Физики создали акустическую бутылку

O412yJtIQ181

Звуковые волны научатся огибать препятствия и двигать предметы.

На фото: звуковой луч, двигаясь от источника, образует полость, внутри которой его интенсивность равна нулю. Изображение: Xiang Zhang group

Коллективу ученых удалось экспериментально создать «акустическую бутылку» — направленный звуковой луч, имеющий полость на определенном участке траектории. Благодаря такому строению он может огибать акустически непрозрачные предметы, не нарушая при этом собственной целостности. Описание работы приводится в Nature Communications.

Для получения «звуковой бутылки» ученые создали двумерный источник звуковых волн, состоящий из 12 массивов, в кажой из которой было 40 линейно расположенных динамиков. Все они работали на одной частоте – 10 килогерц. Акустическая полость появлялась на расстоянии около 0,6 метра от плосткости источника. За счет малого (около 4% на метр) затухания акустических волн и проработанной схемы настройки оборудования, размер и положение полости можно было менять в широких пределах. Траектория лучей рассчитовалась при помощи алгоритма Безье, позволяющего по набору известных точек в пространстве задать параметрическую кривую.

Возможность получения акустической полости при помощи линейного массива источников излучения (электро-магнитного или звукового) была ранее показана теоретически. При этом образуется луч, который распространяется вдоль изогнутой линии – с точки зрения математики он является каустикой (общей границей семейства лучей) от индивидуальных источников. Авторы расположили линейные массивы источников в форме многоконечной звезды, таким образом создавая акустическую систему с осевой симметрией.

При испускании каждым из линейных массивов изогнутого луча в определенном месте на оси симметрии образуется полость, в которой интенсивность акустического излучения стремится к нулю. Положение полости задается произвольно по контрольным точкам, определяющим кривую Безье, вдоль которой распространяются индивидуальные лучи.

So1ibg7EHzk1

Оптические каустики, возникающие после прохождения стеклянного шара.

При помощи динамических измерений исследователи показали, что на твердое тело, помещенное внутрь полости, действует сила порядка нескольких микроньютонов, направленная в сторону, противоположную направлению распространения луча. При этом структура самого луча не изменяется, то есть твердое тело остается акустически невидимым.

Изобретение авторов статьи основано на целенаправленном применении волновых каустик – линий, огибающих семейство лучей. Это явление широко распространено в сфере оптики, его можно наблюдать, если поставить прозрачный стакан с водой на пути солнечных лучей: картинка, напоминающая паутинку из ярких световых линий, и есть сеть оптических каустик.

Полученная авторами акустическая бутылка может найти широкое применение в области ультразвуковой диагностики, так как позволит лучу обходить особо чувствительные органы, исследуя при этом скрытые за ними части тела. Прочие сферы применения: акустическая маскировка, столь важная для военно-морских сил, а также акустические «пинцеты», работающие аналогично оптическим — луч захватывает небольшие твердые объекты и позволяет проводить с ними простые манипуляции.