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美科學(xué)家造出空中“聲波瓶”

  • 發(fā)布時間:2014-08-06 01:31:32  來源:科技日報  作者:佚名  責(zé)任編輯:羅伯特

  科技日報訊 美國能源部(DOE)勞倫斯·伯克利國家實驗室科學(xué)家新開發(fā)出一種在空中制造“聲波瓶”的技術(shù),能讓聲波路徑按預(yù)定曲線彎曲。這一技術(shù)有著廣泛的應(yīng)用前景,包括超聲波成像與治療、聲學(xué)隱形、懸浮與粒子操控等。相關(guān)論文發(fā)表在最近的《自然·通訊》雜志上。

  聲波跟光波類似,都是沿一條直線傳播,但其路徑會由于反射、衍射或折射而彎曲。超聲醫(yī)學(xué)成像、材料檢測就是利用了這一原理。比如超材料就是一種能讓聲波、光波彎曲的人造納米結(jié)構(gòu),但這些材料本身的性質(zhì)限制了它們的應(yīng)用,尤其在生物學(xué)方面?!拔覀兿氩豢咳斯そ橘|(zhì)也能彎曲聲波場。”勞倫斯·伯克利實驗室材料科學(xué)分部主管張祥(音譯)說,“我們的瓶子束技術(shù)能設(shè)計并合成‘聲波瓶’,引導(dǎo)聲波按設(shè)計的曲線通過齊性空間,而無需介質(zhì)材料或其他任何人工設(shè)計材料?!?/p>

  據(jù)物理學(xué)家組織網(wǎng)8月4日報道,研究小組創(chuàng)造的“聲波瓶”有著三維曲線外殼,由高聲壓壁包圍著內(nèi)部零壓區(qū),瓶子狀的聲波集中為一束,沿著外殼曲線傳播。聲波由直徑1.5厘米、間隔2.5厘米的揚聲器陣列產(chǎn)生,頻率為10千赫。

  “我們的‘聲波瓶’束技術(shù)能直接用于目前的聲學(xué)系統(tǒng),為控制聲學(xué)能量按需流動提供了新的自由度?!闭撐牡谝蛔髡邚堸i(音譯)說。由于“聲波瓶”的高壓壁施加了一個拉力,聲波不能從瓶內(nèi)零壓區(qū)通過,由此可作為一種聲學(xué)捕獲器。而且瓶束不受內(nèi)部任何障礙影響,當(dāng)其傳播路徑被障礙物擋住時,還能自行恢復(fù)。研究人員用一根鋼棒驗證了這一點。

  論文合著者李同倉(音譯)說,“聲波瓶”束開辟了廣泛的新用途,比如接近藏在障礙物后面的目標(biāo)、聲學(xué)成像、可通過不均勻媒介的治療超聲波等。它還可用作一種隱身設(shè)備,改變聲波路徑,繞過目標(biāo)后恢復(fù)原狀,讓聲吶系統(tǒng)無法發(fā)現(xiàn)目標(biāo)。

  此外,“聲波瓶”束還能用于聲駐波三維打印和聲懸浮。論文合著者朱杰(音譯)說:“我們的‘聲波瓶’束能帶來更穩(wěn)定、真實的三維圖像,聲波束沿曲線路徑衍射時,其運動更自由。而且與其他聲懸浮技術(shù)相比,我們還能懸浮更大的三維物體?!?/p>

  論文合著者、研究小組成員楊隋(音譯)指出,捕獲比半波長更大物體的能力,可讓“聲學(xué)瓶”束成為材料研究中一種更重要的新工具。“這種巨型聲波‘陷阱’有望帶來化學(xué)、材料學(xué)、生物科學(xué)等各方面的新技術(shù)和設(shè)備,比如造一個三維瓶狀的聲波‘陷阱’,把它作為微型化學(xué)反應(yīng)器,控制生物運輸設(shè)備等?!?(常麗君)

  左圖 從聲源發(fā)出后,聲能形成一種三維“聲波瓶”,瓶壁為高聲壓壁,內(nèi)部是零壓區(qū)。瓶底壓力場能自行彎曲繞過三維障礙物。

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