作者:Xiang Zhang 来源:《自然—通讯》 发布时间:2014-8-18 14:32:17
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科学家造出空中“声波瓶”

    图 从声源发出后,声能形成一种三维“声波瓶”,瓶壁为高声压壁,内部是零压区。瓶底压力场能自行弯曲绕过三维障碍物。Credit: Courtesy of Xiang Zhang group

美国能源部(DOE)劳伦斯·伯克利国家实验室科学家新开发出一种在空中制造“声波瓶”的技术,能让声波路径按预定曲线弯曲。这一技术有着广泛的应用前景,包括超声波成像与治疗、声学隐形、悬浮与粒子操控等。相关论文发表在最近的《自然—通讯》杂志上。

声波跟光波类似,都是沿一条直线传播,但其路径会由于反射、衍射或折射而弯曲。超声医学成像、材料检测就是利用了这一原理。比如超材料就是一种能让声波、光波弯曲的人造纳米结构,但这些材料本身的性质限制了它们的应用,尤其在生物学方面。“我们想不靠人工介质也能弯曲声波场。”劳伦斯·伯克利实验室材料科学分部主管张祥(音译)说,“我们的瓶子束技术能设计并合成‘声波瓶’,引导声波按设计的曲线通过齐性空间,而无需介质材料或其他任何人工设计材料。”

据物理学家组织网8月4日报道,研究小组创造的“声波瓶”有着三维曲线外壳,由高声压壁包围着内部零压区,瓶子状的声波集中为一束,沿着外壳曲线传播。声波由直径1.5厘米、间隔2.5厘米的扬声器阵列产生,频率为10千赫。

“我们的‘声波瓶’束技术能直接用于目前的声学系统,为控制声学能量按需流动提供了新的自由度。”论文第一作者张鹏(音译)说。由于“声波瓶”的高压壁施加了一个拉力,声波不能从瓶内零压区通过,由此可作为一种声学捕获器。而且瓶束不受内部任何障碍影响,当其传播路径被障碍物挡住时,还能自行恢复。研究人员用一根钢棒验证了这一点。

论文合著者李同仓(音译)说,“声波瓶”束开辟了广泛的新用途,比如接近藏在障碍物后面的目标、声学成像、可通过不均匀媒介的治疗超声波等。它还可用作一种隐身设备,改变声波路径,绕过目标后恢复原状,让声呐系统无法发现目标。

此外,“声波瓶”束还能用于声驻波三维打印和声悬浮。论文合著者朱杰(音译)说:“我们的‘声波瓶’束能带来更稳定、真实的三维图像,声波束沿曲线路径衍射时,其运动更自由。而且与其他声悬浮技术相比,我们还能悬浮更大的三维物体。”

论文合著者、研究小组成员杨隋(音译)指出,捕获比半波长更大物体的能力,可让“声学瓶”束成为材料研究中一种更重要的新工具。“这种巨型声波‘陷阱’有望带来化学、材料学、生物科学等各方面的新技术和设备,比如造一个三维瓶状的声波‘陷阱’,把它作为微型化学反应器,控制生物运输设备等。”(来源:科技日报 常丽君)

 
 
 
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