18 mrt. 2014
2 minuten
Onzichtbaar worden is populair deze maand. Na een eerder bericht over een thermisch onzichtbaarheidssysteem is er nu ook een akoestische onzichtbaarheidsmantel. Met niet veel meer dan een paar geperforeerde plastic vellen en een duizelingwekkende hoeveelheid rekenbewerkingen hebben ontwerpers bij de Duke University ‘s-werelds eerste driedimensionale akoestische mantel gemaakt. Die mantel leidt geluidsgolven om, waardoor de indruk ontstaat dat de mantel – en alles eronder – er niet is.
De akoestische onzichtbaarheidsmantel werkt in alle drie de dimensies, ongeacht waar het geluid vandaan komt en waar de waarnemer zich bevindt. Toekomstige potentiële toepassingen liggen op het gebied van onzichtbaarheid voor sonar, of van akoestiek in de architectuur.
"De truc die wij uithalen, is het verstoppen van een voorwerp voor geluidsgolven", zegt professor Steven Cummer van de Duke University. "Als we de mantel rondom een voorwerp plaatsen, gedragen de golven zich alsof er zich niets meer op hun pad bevindt, behalve dan het oppervlak waarop het voorwerp staat."
Om deze truc te kunnen realiseren, maakten Cummer en zijn medewerkers gebruik van metamaterialen – de combinatie van natuurlijke materialen in herhalende patronen, om onnatuurlijke eigenschappen te verkrijgen. Voor de akoestische mantel zijn de materialen die het gedrag van de geluidsgolven manipuleren simpelweg plastic en lucht. Als de mantel is geconstrueerd ziet hij er uit als een piramidevormige stapel plastic platen met een herhalend patroon van gaten er in.
Moeilijk en interessant
Om de illusie te geven dat hij er niet is, moet de mantel het traject van de golven zodanig veranderen dat het lijkt dat ze alleen reflecteren vanaf een vlak oppervlak. Omdat het geluid het oppervlak eronder niet bereikt, legt het een kortere afstand af en moet de snelheid ter compensatie worden verlaagd.
"De door ons gebouwde structuur lijkt erg simpel", zegt Cummer, "maar ik kan je verzekeren dat hij veel moeilijker en interessanter is dan hij er uitziet. We hebben veel energie gestopt in het berekenen hoe de interactie met geluidsgolven zou verlopen. Dit was geen kleinigheid."
Commerciële toepassingen
Om de methode te beproeven bedekten de onderzoekers een kleine bol met de mantel. Daarna bestookten ze die met korte geluids-bursts vanuit verschillende hoeken. Met een microfoon werd in kaart gebracht hoe de golven respondeerden. Ook produceerden ze video’s van de golven die zich door de lucht voortplanten. Cummer vergeleek de videobeelden met die van golven langs een vlak oppervlak zonder hindernissen en van golven waarbij de bol zonder mantel het pad blokkeert. Uit de vergelijking bleek duidelijk dat de mantel de blokkade volledig laat verdwijnen. Het experiment is nog maar een eenvoudige demonstratie van de werking van de technologie, maar Cummer voorziet voor de toekomstig verschillende commerciële toepassingsmogelijkheden.
"We hebben onze tests uitgevoerd in lucht, maar onder water gedragen geluidsgolven zich op dezelfde manier. Dus verstoppen voor sonar moet zeker mogelijk zijn", verwacht Cummer. "Maar ik denkt ook aan het ontwerp van auditoria of concerthallen – elke ruimte waar je de akoestiek moet kunnen beheersen. Als er om bouwkundige redenen ergens een balk moet worden aangebracht die het geluid zou verpesten, kun je de akoestiek misschien herstellen met zo’n mantel."
"Three-dimensional broadband omnidirectional acoustic ground cloak," Zigoneanu L., Popa, B., Cummer, S.A. Nature Materials, 9 maart 2014. DOI: 10.1038/NMAT3901
.
Anderen lazen ook
