杜克大学利用3D打印技术创建了一种能够控制声波的设备
2018-04-12浏览量：36
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杜克大学的一组研究人员利用3D打印技术创建了一种能够以前所未有的效率控制声波重定向的设备。它是同类产品中第一款成功演示近乎完美的声音传输和反射控制的设备。该设计利用了一类被称为超材料的材料，它们是人造材料，可以通过它们的结构操纵波浪般的光线和声音，而不是它们的化学成分。该研究可能证明对各种水下声音应用有用，例如声纳技术。
薄塑料装置使用3D打印技术制造。它的结构设计成它由一系列四列空心柱组成，每一根柱子近半英寸，在一侧有一个狭窄的开口。行间通道宽度的变化以及每个柱内腔的大小，使研究人员能够精确地操纵声波。空腔会以规定的频率振动，这会影响相邻空腔的振动，以限制波浪的传播和反射。
研究结果在“自然通讯”杂志上发表的论文“用于无声波前处理的双向各向异性曲面的系统设计和实验演示”中有详细介绍。根据杜克大学的博士生和论文的第一作者，Junfei Li说：“以前的设备可以通过改变波前不同部分的速度来改变声波的形状和方向，但总会有不必要的散射。你必须控制波的传输和反射的相位和振幅，以达到完美的效率。“
为了找到超材料的最佳结构，设计了一个特殊的计算机程序。在这个计划中，研究人员提供了材料每一面所需的边界条件，以便决定他们希望传出波和反射波如何表现。该程序尝试随机解决方案，并最终在多次不同的迭代之后找到一组合适的设计参数。
该文件中展示的设置涉及3,000Hz的声波。该结构能够将直线上的波浪重新引导至60度的尖锐出射角。效率约为96％，接近完美，远高于过去类似设置预计的效率60％。可以对同一个系统进行修改和缩放，以成功控制几乎任何波长的声波。
杜克大学电气与计算机工程教授史蒂夫·卡默尔说:“在谈论波浪的时候，我经常会回到光学镜片的模拟上。”“如果你试图用同样的方法制造出非常薄的眼镜，这类设备一直在使用，它们就会发出臭味。”这个演示现在让我们能够非常精确地操纵声波，就像一个声音的透镜，比以前的可能更好。