Un nuovo modo per creare ologrammi tridimensionali acustici.
La tecnica potrebbe rivoluzionare le applicazioni che vanno dai sistemi home stereo fino ai dispositivi medici ad ultrasuoni .
Sappiamo qualcosa degli ologrammi visivi, sistemi che manipolano la luce per far sembrare come se un oggetto 3-D stia in uno spazio vuoto. Questi trucchi ottici funzionano se si plasma il campo elettromagnetico in modo che imiti la luce che rimbalza in un oggetto reale.
Il suono viaggia anch’esso in forma ondulatoria . Ma l’energia elettromagnetica viaggia attraverso lo spazio, mentre il suono si propaga in onde di pressione che comprimono momentaneamente le molecole mentre vi viaggia attraverso. E proprio come la luce visibile, queste onde possono essere manipolate in modelli tridimensionali.
“Mostriamo la stessa identica modalità di controllo su un’onda sonora come con la luce,” ha affermato Steve Cummer, professore di ingegneria elettrica e informatica presso la Duke University. “E ‘come un display di realtà virtuale acustica. Ti dà un senso più realistico del modello spaziale del campo sonoro “.
In un articolo pubblicato il 14 ottobre su Nature Scientific Reports, i ricercatori della Duke e North Carolina State University dimostrano che essi possono creare qualsiasi schema tridimensionale con le onde sonore. La realizzazione è resa possibile dalle cellule composta da metamateriali-sintetici, ingegnerizzati che insieme producono proprietà innaturali.
Un computer fa il rendering di 12 diversi tipi di spirali contenuti nei blocchi di metamateriale, ciascuno dei quali rallenta le onde sonore di un valore specifico. Organizzare i vari spirali in un array può piegare la forma di onda in ingresso del suono. Credit: Steve Cummer, Duke University
In questo caso, i metamateriali assomigliano un muro di Lego. Ogni singolo blocco è fatto di plastica con una stampante 3-D e contiene una spirale all’interno. La tenuta della spirale influenza il modo in cui il suono viaggia attraverso di essa, con la stretta della bobina, le onde sonore viaggiano più lentamente attraverso di essa.
Mentre i singoli blocchi non possono influenzare la direzione dell’onda sonora, l’intero dispositivo riesce a farlo in modo efficace . Ad esempio, se una parte dell’onda sonora viene rallentata ma non l’altra, i fronti d’onda risultanti saranno reindirizzati modo che il suono sia piegato verso il lato lento.
“Chiunque è in grado di sentire la differenza tra un altoparlante stereo singolo e un quartetto d’archi dal vivo”, ha spiegato Yangbo “Abel” Xie, uno studente al dottorato nel laboratorio diCummer. “Parte del motivo è dovuto al fatto che le onde sonore trasportano informazioni spaziali, come le note e il volume.”
Un computer rendering di un’onda sonora che ha viaggiato attraverso una serie di metamateriali acustici è stato modellato in un modello come la lettera A un piede oltre la matrice. Questo modello non poteva essere visto, ma solo sentito .
Calcolando come 12 diversi tipi di blocchi metamateriali acustici influenzeranno l’onda sonora, i ricercatori possono disporli in una parete per formare qualsiasi motivo a onde sul lato opposto . Con abbastanza cura, le onde sonore possono produrre un ologramma specifico ad una determinata distanza.
“E ‘ fondamentalmente come mettere una maschera di fronte a un altoparlante”, ha detto Cummer. ” fa sembrare che il suono provenga da una fonte più complicata di quello che è.”
Cummer e Xie, in collaborazione con Yun Jing, assistente professore di ingegneria meccanica e aerospaziale presso la NC State, e Tarry Shen, uno studente di dottorato nel laboratorio di Jing, hanno dimostrato come le loro opere mascherano l’audio in due modi diversi. Nella prima prova, hanno assemblato un muro di metamateriale che ha manipolato un’onda sonora in ingresso in una forma come la lettera “A” ad un piede di distanza. In una seconda dimostrazione, hanno mostrato che la tecnica può concentrare le onde sonore in diversi “punti caldi” -o forti delle vere macchie-di suono, anche ad un piede di distanza dal dispositivo.
Il dispositivo di metamateriale che può creare ologrammi acustiche è formato da una griglia o blocco che contiene una spirale con una delle 12 varie densità, ciascuno delle quali rallenta le onde sonore di una quantità diversa.
Ci sono tecnologie esistenti che possono anche produrre questo effetto. I moderni dispositivi di imaging ad ultrasuoni, per esempio, l’uso graduale con molti trasduttori singoli che possono produrre onde sonore controllate con precisione. Ma questo approccio ha i suoi svantaggi.
“Se avete mai aveva fatto una ecografia, saprete che c’è una piccola bacchetta attaccata ad una macchina molto più grande a pochi passi”, ha detto Cummer. “Non solo questa configurazione può essere ingombrante, ma si consuma una quantità enorme di energia. Il nostro approccio può aiutare a produrre lo stesso effetto in un sistema più economico, più piccolo. ”
Tuttavia il dispositivo metamateriale lavora in tali applicazioni, , ogni cella deve essere inferiore alle onde che sta manipolando. E per le tecnologie a ultrasuoni che operano nella gamma megahertz, questo significa che le singole celle dovrebbero essere 100 volte più piccole rispetto ai blocchi di dimostrazione attuali.
