前沿科技之能“存放”聲音的聲學(xué)魔瓶

掃街

科學(xué)日報報道，一種新型聲波即將到來，它或可能具有廣泛的應(yīng)用前景，包括先進(jìn)的超聲成像和療法，聲隱身、聲懸浮和操縱粒子。美國能源部勞倫斯·伯克利國家實(shí)驗室的研究人員研發(fā)了一種新的技術(shù)在戶外產(chǎn)生聲學(xué)瓶子，后者能夠沿著預(yù)定的凸?fàn)钴壽E彎曲聲波的路徑。這項研究被發(fā)表在期刊《自然通信》上。

聲波的移動方式和光波很相像。它們以直線的形式前進(jìn)，但這個路徑或可能通過折射、衍射或反射被彎曲，這便是超聲波醫(yī)療成像和材料非破壞性測試的基礎(chǔ)。近些年科學(xué)家們已經(jīng)展開密切搜索，旨在提出能夠沿著曲線軌跡彎曲聲波的方法，從而滿足超高分辨率成像、聲隱形和其他應(yīng)用的需要。名為”超材料”的人造納米構(gòu)建物已經(jīng)被改造的能夠充分彎曲聲波，但這些材料的本質(zhì)限制了它們的應(yīng)用，尤其是用于生物領(lǐng)域。

“我們需要尋找不依賴高度改造的媒介來彎曲聲波場的新方法，” 伯克利國家實(shí)驗室材料科學(xué)部門主任張翔（Xiang Zhang）說道。“利用我們的局域空心光束技術(shù)，我們可以設(shè)計和人工合成聲學(xué)瓶子，在無需超材料或者任何其它高度改造的媒介的前提下，指導(dǎo)聲波沿著既定彎曲路徑穿過齊性空間。” 美國加州大學(xué)伯克利分校Ernest S. Kuh講席教授張翔指導(dǎo)了美國國家科學(xué)基金會的納米科學(xué)與工程中心，他還是伯克利科維理能源納米科學(xué)研究所（ENSI）的成員。他和他的研究小組因設(shè)計操控光和聲的研究而獲得國際社會的贊譽(yù)，這將產(chǎn)生某些非凡的結(jié)果——隱形斗篷設(shè)備，能夠彎曲光線的等離子艾里光束，世界上第一個聲學(xué)超透鏡，能夠永恒保持完美時間的四維晶體等。

在最新的研究里，張的研究小組里的三名成員張鵬（Peng Zhang）、李同倉（Tongcang Li）和朱杰（ Jie Zhu）創(chuàng)造了一種具有三維曲面外殼的聲學(xué)“瓶子”，高聲學(xué)壓力的墻環(huán)繞著中間的零壓力區(qū)域。 形成瓶子的聲波集中成光束，可以穿過曲面外殼的高壓墻。聲波則由直徑為1.5厘米、相距2.5厘米、發(fā)送頻率為10千赫茲的揚(yáng)聲器陣列產(chǎn)生，通過精確調(diào)節(jié)揚(yáng)聲器陣列的相位描述，可以將它按照設(shè)定的軌道發(fā)射。

“因為調(diào)節(jié)相位陣列的原則已經(jīng)非常成熟，且已經(jīng)被用于超聲波成像，我們可以將我們的聲學(xué)局域空心光束技術(shù)應(yīng)用于現(xiàn)有的聲學(xué)系統(tǒng)，”研究首席作者張鵬這樣說道。“我們的研究提供了隨意控制聲學(xué)能量流的新的自由度。”

由于聲學(xué)瓶子的高壓墻會產(chǎn)生牽引力，因此沒有聲波會經(jīng)過瓶子內(nèi)部無壓力區(qū)，所以瓶子本身就可以用于聲學(xué)捕獲。此外，局域空心光束不會被區(qū)域內(nèi)部放置的任何障礙物所影響，且當(dāng)障礙物阻礙它的路徑時，它甚至可以自我修復(fù)。

“我們的聲學(xué)局域空心光束技術(shù)在需要獲取隱藏在障礙物后面的難以夠及的物體的應(yīng)用方面，例如聲學(xué)成像和通過非均勻介質(zhì)的治療性超聲波，開辟了新的途徑。”研究合作作者李說道。“我們還可以利用聲學(xué)瓶子作為隱形設(shè)備，改變環(huán)繞物體的聲波路徑，然后以它的原始形式將其恢復(fù)，使得這一物體對聲納探測變得不可見。”

聲學(xué)局域空心光束或可以在高科技領(lǐng)域里最炙手可熱的應(yīng)用——聲懸浮里發(fā)揮作用，聲懸浮是指聲波被用于提升和操控毫米大小的物體，包括粒子、微生物和水滴。一項報告稱將懸浮聲波用于3D圖像打印的技術(shù)在近期被認(rèn)為是重大突破性進(jìn)展。

“我們的聲學(xué)局域空心光束可以實(shí)現(xiàn)相同目標(biāo)，且具有更好的穩(wěn)定性，能夠?qū)崿F(xiàn)真正的3D圖形并擁有更多自由度，因為光束可以沿著曲線路徑傳播，”研究合作作者朱說道。“我們還可以懸浮更大的3D物體，這是其它聲懸浮技術(shù)所無法實(shí)現(xiàn)的。”

這項研究的另一名合作作者楊歲（Sui Yang）表示這種可以圍困比聲學(xué)局域空心光束的半波長更大的物體的能力或可能為與材料相關(guān)的研究提供重要的新工具。“這些巨大的聲學(xué)陷阱可能導(dǎo)致新技術(shù)和新設(shè)備的發(fā)展，以用于一系列領(lǐng)域，包括化學(xué)、材料以及生物科學(xué)，”楊說道。“例如，通過創(chuàng)造三維類似瓶子的聲學(xué)陷阱，我們可以將它用作一個微化學(xué)反應(yīng)器，對生物非法交易設(shè)備進(jìn)行操控。”這項研究的其他合作作者還包括朱雪峰(Xuefeng Zhu)，王媛(Yuan Wang)和尹曉波（Xiaobo Yin）。這項研究得到了美國海軍研究辦公室MURI項目的支持。
3 d# q% n/ ~5 k" `' l

chixianhu

第一時間發(fā)布最新技術(shù)信息。頂起。