211service.com
Akoestische mantel ontworpen
Stadsbewoners, rust zacht. Ingenieurs hebben een materiaal ontworpen dat geluiden omleidt en dat in gebouwen kan worden gebruikt om ze tegen geluiden te beschermen. Het geluidafschermende materiaal, dat, als het daadwerkelijk wordt gemaakt, het eerste akoestische verhulapparaat zou zijn, zou ook nuttig kunnen zijn om militaire schepen en andere schepen voor sonar te verbergen.
Geluidsscherm: Een akoestische mantel bestaande uit afwisselende lagen van geluidverstrooiende materialen zou objecten onzichtbaar moeten maken voor sonar en geïsoleerd van geluid. In dit door de computer gegenereerde beeld is een cilinder (groene cirkel) bedekt met 200 lagen van een dergelijk materiaal, wat het optimale ontwerp bleek te zijn. Geluidsgolven die van links naar rechts bewegen (hun pieken en dalen worden weergegeven door rode en blauwe lijnen) stromen langs het object en hervormen aan de andere kant zonder vervorming.
Akoestische verhulmaterialen, die geluidsgolven rond een object richten zodat ze zich aan de andere kant zonder vervorming opnieuw vormen, komen in de natuur niet voor. Maar ingenieurs geleid door José Sánchez-Dehesa aan de Polytechnische Universiteit van Valencia, in Spanje, hebben een plan gemaakt om ze te maken, met afwisselende lagen van twee verschillende materialen. Deze materialen zouden arrays van geluidskristallen omvatten - patronen van kleine staafjes gemaakt van aluminium of andere materialen die sommige geluidsgolven doorlaten terwijl ze de doorgang van andere blokkeren.
Het ontwerp van de verhulmaterialen, gepubliceerd in de Nieuw tijdschrift voor natuurkunde , laat zien dat het maken van een akoestisch schild op een eenvoudige en eenvoudige manier kan, zegt Steven Cummer , een elektrotechnisch ingenieur aan de Duke University die in 2006 betrokken was bij de constructie van de eerste lichtmantel.
Voortbouwend op het theoretische werk van John Pendry aan het Imperial College in Londen, een groep aan de Duke University onder leiding van David R. Smith en inclusief Cummer creëerde een schild dat objecten onzichtbaar maakt voor een bepaalde frequentie van microgolflicht. Ze gebruikten metamaterialen, kunstmatig gestructureerde composieten die zijn ontworpen om eigenschappen te hebben die ongeëvenaard zijn door natuurlijke materialen. Al ongeveer 10 jaar ontwerpen ingenieurs metamaterialen om licht te manipuleren in de hoop nieuwe weergavetechnologieën, microscooplenzen en computerchips met veel transistors te creëren. Het nieuwe recept voor akoestische mantel bouwt voort op Cummers recente theoretische werk over akoestische materialen en laat zien dat metamaterialen kunnen worden gebruikt om zowel geluidsgolven als lichtgolven te manipuleren. Cummer, die niet betrokken was bij het werk van Sánchez-Dehesa, zegt dat het nu mogelijk moet zijn om een akoestische mantel te fabriceren.
Om een materiaal als een akoestische mantel te laten werken, moet de snelheid van het geluid dat er doorheen gaat richtingsafhankelijk zijn. Dat wil zeggen, geluidsgolven die vanuit één richting door het afschermingsmateriaal reizen, moeten met een andere snelheid bewegen dan golven die in een loodrechte richting reizen. Deze verschillen creëren verstrooiingseffecten die geluidsgolven moeten leiden om over een afgeschermd object te stromen, zoals water dat rond een rots stroomt. Omdat de golven terugkeren naar hun oorspronkelijke vorm na het passeren van een dergelijk afgeschermd object, wordt het object in feite onzichtbaar voor sonar. En een luisteraar in zo'n schild zou de geluiden niet horen rondstromen.
Sánchez-Dehesa heeft een tweedimensionale akoestische mantel gemodelleerd, maar zegt dat het extrapoleren van zijn werk naar drie dimensies eenvoudig zou moeten zijn. We stellen een mantel voor voor elke vorm, zegt hij. Het verbergen van oorlogsschepen voor sonar is een mogelijke toepassing. Maar Sánchez-Dehesa is geïnteresseerd in het probleem van geluid in het algemeen. In principe, zegt hij, is het mogelijk om deze mantel heel dun te maken, in de orde van centimeters. Als we een muur kunnen ontwerpen om in een huis te plaatsen om externe ruis af te schermen, zou dat heel mooi zijn. Cummer verbeeldt kolommen voor concertzalen die constructief werk doen, maar er akoestisch niet zijn.
In tegenstelling tot lichtmantels, die objecten kunnen afschermen tegen licht van slechts één frequentie, moeten akoestische mantels een object kunnen afschermen voor een breed scala aan frequenties. Volgens de speciale relativiteitstheorie van Einstein kunnen lichtschermen maar op één golflengte werken. Als een golf rond een [verhuld] materiaal beweegt, moet het sneller gaan dan door de lucht, legt Cummer uit. Volgens de wetten van de natuurkunde is het niet mogelijk om dit op meer dan één frequentie tegelijk te doen. De snelheid van het geluid is echter geen universele constante, dus het zou mogelijk moeten zijn om breedband akoestische mantels te maken.
Volgens het ontwerp van Sánchez-Dehesa moeten de diktes van de afwisselende lagen waaruit het geluidsscherm bestaat, zeer zorgvuldig worden gecontroleerd. Cummer zegt dat dit een technische uitdaging zal zijn, maar geen onoverkomelijke. Inderdaad, zegt Cummer, het ontwerp voor een geluidsscherm geeft technische akoestische materialen een grote duw voorwaarts.