Akustički metamaterijali


iliti kako kontrolišemo zvuk

Dobro je poznato da akustički talasi, kao i svi drugi talasi, stupaju u određenu interakciju sa sredinom kroz koju prolaze. Međutim, tek smo odnedavno naučili da kontrolišemo tu interakciju konstruišući akustičke sredine sa efektivnim svojstvima po našem izboru. Ovakve sredine, poznate kao metamaterijali, već više od jedne decenije su poznate u elektromagnetici, gde se naročitim rasporedom elementarnih struktura pod nazivom jedinične ćelije može postići da se sredina ponaša neuobičajeno u odnosu na elektromagnetski talas. Ono što je zanimljivo jeste da na efektivna svojstva ovakve sredine utiču pre svega struktura i raspored jediničnih ćelija, a ne njihov hemijski sastav. Ono što je još zanimljivije jeste da kroz formalne analogije između različitih tipova talasa možemo preneti čitav niz fenomena već istraženih u elektromagnetici u domene kao što su mehanika ili akustika.

 

Near-zero akustički metamaterijali

 

Brzina zvuka u tečnostima i gasovima određena je njihovom stišljivošću i zapreminskom masom. Preko geometrije jediničnih ćelija možemo uticati na bilo koji od ova dva parametra, učiniti ih približnim nuli ili čak negativnim na određenim frekvencijskim opsezima. Primera radi, u near-zero akustičkom materijalu, na frekvencijskim opsezima gde su ovi parametri približni nuli, akustički talasi se kreću praktično beskonačnom brzinom, akumulišući izuzetno male promene faze na fizički velikim rastojanjima. Ovo otvara mogućnosti za niz uzbudljivih novih primena, uključujući tuneliranje akustičke energije i uobličavanje talasnih frontova akustičkih talasa.

 

Istraživači Instituta BioSens konstruisali su akustičke metamaterijale koji podržavaju tuneliranje akustičkih talasa kroz sredinu na način koji do sada nije bio poznat, otvarajući vrata razvoju raznih koncepata, kako u čujnom tako i u ultrazvučnom opsegu, uključujući napredno formiranje akustičkih snopova i akustičkih super-sočiva. Najzad, širenjem koncepta sa jedne dimenzije na dve ili tri može se postići potpuna kontrola interferencije akustičkih talasa, sa nizom primena u oblastima kao što su akustičko maskiranje ili fokusiranje, kontrola buke, inovativni minijaturni sonari ili ultrazvučni medicinski skeneri  vrlo visoke rezolucije.

Kroz istraživanja na Institutu Biosens razvijene su i eksperimentalno demonstrirane dve nove vrste metamaterijala zasnovanih na rezonantnim akustičkim ćelijama. Ove ćelije na određenim opsezima učestanosti imaju negativnu zapreminsku masu, odnosno, stišljivost, ali imaju i uske opsege učestanosti na kojima su ovi parametri približni nuli, što znači da akustički talas na tim učestanostima tunelira kroz sredinu. Pokazali smo da se kombinovanjem ovih ćelija na razne načine može postići i kompleksnije ponašanje materijala, kao što je near-zero akustičko filtriranje ili tzv. dvostruko negativna propagacija.

Kontrola akustičkih površinskih talasa

Elektromagnetski talasi, kaošto je dobro poznato, mogu da se prostiru ne samo kroz prostor već i po graničnoj površini između dve sredine. Važan zadatak istraživača Instituta Biosens bio je da se otkrije akustički pandan površinskim elektromagnetskim talasima, posebno tzv. površinskim plazmon polaritonima. Razumevanje ove analogije otvorilo je nove puteve kontrole površinskih akustičkih talasa. Činjenica da brzina talasa zavisi od temperature gasa nad nekom površinom iskorišćena je za kontrolu akustičkog površinskog talasa primenom različitih temperaturnih profila na gas.  Našim pristupom, talas se može skrenuti, fokusirati, usporiti – pa čak i zaustaviti u određenoj tački na svom putu. Pored toga, pošto prostiranje zavisi i od frekvencije, talasi različitih frekvencija zaustavljaju se na različitim mestima i čitava površina ponaša se kao akustički analizator spektra. Pomenuta veza može se iskoristiti i u obrnutom smeru – umesto da kontrolišemo ponašanje talasa utičući na temperaturu, možemo detektovati promene temperature na osnovu promene talasne dužine akustičkog površinskog talasa, čime se otvara prostor i za nove primene u oblasti senzora temperature.

Skretanje (a) i fokusiranje (b) akustičkog talasa, koje su istraživači Instituta Biosens ostvarili koristeći akustičko sočivo sa gradijentnim indeksom prelamanja (GRIN), otvaraju mogućnosti za niz novih primena, od interferometrije do mapiranja temperature.