~ * Μανδύες Sound εισέλθουν στην τρίτη διάσταση * ~

΄

ένα κλουβί μανδύα περιβάλλει μια πλαστική σφαίρα σε μια αίθουσα echo-free. Ο μανδύας θωρακισμένο τη σφαίρα από τον εντοπισμό σε μια συγκεκριμένη συχνότητα ήχου, η πρώτη φορά που ένα τρισδιάστατο αντικείμενο έχει κρυμμένη από τα ηχητικά κύματα. Credit: L. et al Sanchis 

A simple plastic shell has cloaked a three-dimensional object from sound waves for the first time. With some improvements, a similar cloak could eventually be used to reduce noise pollution and to allow ships and submarines to evade enemy detection. The experiments appear March 20 in Physical Review Letters.

“This paper implements a simplified version of invisibility using well-designed but relatively simple materials,” says Steven Cummer, an electrical engineer at Duke University, who was not involved in the study. Cummer proposed the concept of a sound cloak in 2007.

Scientists’ recent efforts to render objects invisible to the eye are based on the fact that our perception of the world depends on the scattering of waves. We can see objects because waves of light strike them and scatter. Similarly, the Navy can detect faraway submarines because they scatter sound waves (sonar) that hit them.

So for the last several years scientists have been developing cloaks that prevent scattering by steering light or sound waves around an object. The drawback of this approach, however, is that it requires complex synthetic materials that are difficult to produce.

José Sánchez-Dehesa, an electrical engineer at the Polytechnic Institute of Valencia in Spain, and his colleagues pursued a different method: Instead of preventing sound waves from hitting an object — in this case an 8-centimeter plastic sphere — they built a cloak to eliminate the scattered waves left in the sphere’s wake.

Using computer algorithms, the researchers came up with a design made up of 60 rings of various sizes that form a cagelike structure around the sphere. Simulations indicated that sound waves scattering off the sphere and the ringed cloak would interfere with each other and cancel out. (Noise-cancelling headphones exploit this phenomenon by emitting sound waves that minimize ambient sounds in a room.)

Because the cloak did not need to steer sound waves in complicated ways, Sánchez-Dehesa and his team built it out of plastic with the help of a 3-D printer.  They hung their creation from the ceiling of an echo-free chamber, pointed a speaker at it and played a range of sound frequencies. For most frequencies, the sphere scattered an easily detectable amount of sound. But at 8.55 kilohertz — an audible high pitch — the cloaked sphere became imperceptible to the sensors behind it.

The study marks the first time scientists have ever cloaked a three-dimensional object from sound. That’s probably music to the ears of the U.S. Office of Naval Research, which partially funded the study to explore the possibility of sonar invisibility.

However, this cloak is just a small step toward stealth submarines. It has to be custom designed and built for each object, and it works only for a narrow frequency range coming from one direction. If the speaker had been set up anywhere else, the cloak would not have worked. Sánchez-Dehesa’s team plans to develop broadband and multidirectional cloaks.

But Cummer points out that even a limited cloak can have useful applications. He suggests that structures capable of manipulating a specific sound frequency from one direction could help minimize noise pollution from a congested highway. “The cloak does one thing quite well, with a very simple structure,” he says.

Ένα απλό πλαστικό περίβλημα έχει έκρυβαν ένα τρισδιάστατο αντικείμενο από τα ηχητικά κύματα για πρώτη φορά. Με κάποιες βελτιώσεις, μια παρόμοια μανδύας θα μπορούσε ενδεχομένως να χρησιμοποιηθεί για τη μείωση της ηχορύπανσης και να επιτρέψει στα πλοία και υποβρύχια για να αποφύγουν τον εντοπισμό του εχθρού. Τα πειράματα εμφανίζονται 20 Μαρτίου στο περιοδικό Physical Review Letters .

"Αυτό το έγγραφο υλοποιεί μια απλοποιημένη έκδοση της αορατότητας με καλά σχεδιασμένες, αλλά σχετικά απλά υλικά», λέει ο Steven Cummer, ένας ηλεκτρολόγος μηχανικός στο Πανεπιστήμιο Duke, ο οποίος δεν συμμετείχε στη μελέτη. Cummer πρότεινε την ιδέα ενός ακουστικού μανδύα το 2007.

Οι πρόσφατες προσπάθειες των επιστημόνων να καταστήσει τα αντικείμενα αόρατα στο μάτι με βάση το γεγονός ότι η αντίληψη μας για τον κόσμο εξαρτάται από την σκέδαση των κυμάτων. Μπορούμε να δούμε τα αντικείμενα, επειδή τα κύματα του φωτός απεργία τους και διασποράς. Ομοίως, το Πολεμικό Ναυτικό μπορεί να ανιχνεύσει μακρινή υποβρύχια, επειδή τα ηχητικά κύματα διασποράς (sonar), που τους χτύπησε.

Έτσι, για τα τελευταία αρκετά χρόνια οι επιστήμονες έχουν αναπτύξει μανδύες που εμποδίζουν σκέδαση από το φως διεύθυνσης ή ηχητικά κύματα γύρω από ένα αντικείμενο. Το μειονέκτημα αυτής της προσέγγισης, ωστόσο, είναι ότι απαιτεί πολύπλοκη συνθετικά υλικά που είναι δύσκολο να παραχθούν.

José Sánchez-Dehesa, ένας ηλεκτρολόγος μηχανικός στο Πολυτεχνικό Ινστιτούτο της Βαλένθια στην Ισπανία, και οι συνεργάτες του, ακολούθησε μια διαφορετική μέθοδο: Αντί για την πρόληψη ηχητικά κύματα από το χτύπημα ενός αντικειμένου - σε αυτή την περίπτωση, μια 8-εκατοστών πλαστική σφαίρα - έχτισαν ένα μανδύα για να εξαλειφθούν τα διάσπαρτα κύματα άφησε στο πέρασμά της σφαίρας.

Χρησιμοποιώντας αλγόριθμους υπολογιστών, οι ερευνητές κατέληξαν σε ένα σχέδιο που αποτελείται από 60 δαχτυλίδια σε διάφορα μεγέθη που σχηματίζουν ένα cagelike δομή γύρω από τη σφαίρα. Οι προσομοιώσεις έδειξαν ότι τα ηχητικά κύματα σκεδάζονται τη σφαίρα και την δακτυλιοειδή μανδύα θα αλληλεπιδρούν μεταξύ τους και να ακυρώσει έξω. (Θόρυβο ακυρώνοντας ακουστικά εκμεταλλεύονται αυτό το φαινόμενο που εκπέμπουν ηχητικά κύματα που ελαχιστοποιούν τους ήχους του περιβάλλοντος σε ένα δωμάτιο.)

Επειδή ο μανδύας δεν πρέπει να κατευθύνουν τα ηχητικά κύματα σε περίπλοκους τρόπους, Sánchez-Dehesa και η ομάδα του θα κατασκευαστεί από πλαστικό, με τη βοήθεια ενός 3-D εκτυπωτή. Τα κρεμασμένα δημιουργία τους από το ανώτατο όριο του ενός χωρίς ηχώ θάλαμο, επισήμανε έναν ομιλητή σε αυτό και έπαιξε ένα εύρος συχνοτήτων ήχου. Για τις περισσότερες συχνότητες, η σφαίρα διάσπαρτα μια εύκολα ανιχνεύσιμη ποσότητα του ήχου. Αλλά στις 8.55 kilohertz - ένα ηχητικό υψηλό αγωνιστικό χώρο - το cloaked σφαίρα έγινε ανεπαίσθητη για τους αισθητήρες πίσω από αυτό.

Η μελέτη αυτή σηματοδοτεί την πρώτη φορά που οι επιστήμονες έχουν έκρυβαν ποτέ ένα τρισδιάστατο αντικείμενο από ήχο. Αυτό είναι πιθανόν μουσική στα αυτιά του Γραφείου των ΗΠΑ Ναυτικών Ερευνών, η οποία χρηματοδοτείται εν μέρει τη μελέτη για να διερευνήσει τη δυνατότητα της αφάνειας σόναρ.

Ωστόσο, αυτό το μανδύα είναι μόνο ένα μικρό βήμα προς την υποβρύχια stealth. Θα πρέπει να είναι προσαρμοσμένη σχεδιαστεί και κατασκευαστεί για κάθε αντικείμενο, και λειτουργεί μόνο για ένα περιορισμένο φάσμα συχνοτήτων που προέρχονται από μία κατεύθυνση. Εάν ο ομιλητής είχε στηθεί οπουδήποτε αλλού, ο μανδύας δεν θα δουλέψει. Η ομάδα Sánchez-Dehesa σχεδιάζει για την ανάπτυξη ευρυζωνικών και πολλαπλών κατευθύνσεων μανδύες.

Ωστόσο, τα σημεία Cummer ότι ακόμη και μια περιορισμένη μανδύα μπορεί να έχει χρήσιμες εφαρμογές. Προτείνει ότι οι δομές ικανό να χειρίζεται μια συγκεκριμένη συχνότητα ήχου από μία κατεύθυνση μπορεί να βοηθήσει στην ελαχιστοποίηση της ηχορύπανσης από την κυκλοφοριακή συμφόρηση αυτοκινητόδρομο. "Ο μανδύας κάνει ένα πράγμα πολύ καλά, με μια πολύ απλή δομή», λέει.

http://www.sciencenews.org/view/generic/id/349255/description/Sound_cloaks_enter_the_third_dimension