杜克大学的超材料研究人员已经展示了一种薄材料的设计和构造，这种材料可以以近乎完美的效率控制声波的重定向和反射。
虽然已经提出了许多对工程师进行这种设备的理论方法，但它们已经努力同时控制声音的变速器和反射，恰好是所需的方式，而且没有实验实验证明。
新的设计是第一个展示完整，近乎完美控制声波的近乎完美控制，并使用3-D打印机快速且容易地制造。结果显示在线4月9日自然通讯．
“以这种方式控制声波的传输和反射只是一个理论概念，并没有实现的途径——没有人知道如何利用这些想法设计一个实际的结构，”杜克大学电气和计算机工程教授史蒂夫·卡默(Steve Cummer)说。“我们解决了这两个问题。我们不仅找到了设计这样一个设备的方法，我们还可以制造一个并测试它。你瞧，它真的管用。”
这种新设计使用了一种叫做超材料的材料，这是一种人工材料，可以通过其结构而不是化学物质来操纵波，比如光和声音。例如，虽然这种特殊的超材料是由3d打印塑料制成的，但塑料的特性并不重要，重要的是设备特征的形状，使其能够操纵声波。
超材料由一系列四排中空柱制成。每柱几乎是一侧的一侧的一侧为一侧，狭窄的开口切断了一侧的中间，使其看起来有点像世界上最深的以太网端口。虽然纸张中展示的设备高1.6英寸，但长度近3.5英尺，其高度和宽度是无关紧要的 - 它可能在任何一个方向上都可以将永远伸展。
研究人员通过每行柱之间通道的宽度和每一列柱内腔的大小来控制该设备如何操纵声音。有些栏目是完全开放的，而另一些栏目则是几乎封闭的。
要理解为什么，想想一个吹风的人吹过玻璃瓶的顶部 - 瓶子的球场取决于瓶内留下的液体量。类似地，每个列以不同的频率谐振，这取决于用塑料填充多少。
当声波通过该设备时，每个腔体都会按规定的频率共振。这种振动不仅会影响声波的速度，还会与邻近的空腔相互作用，从而抑制声波的传播和反射。
“以前的设备可以通过改变波端的不同部分的速度来塑造和重定向声波，但总是有不需要的散射，”Cummer实验室和第一个作者的博士学生Junfei Li说。“你必须控制波浪传输和反射的相位和幅度来接近完美的效率。”
要使事情更加复杂，振动列不仅与声波相互作用，而且还与周围的列相互作用。李需要编写一个“进化计算机优化程序”，通过所有设计排列。
研究人员向程序输入材料两侧所需的边界条件，以决定传出波和反射波的行为。在尝试了一组随机的设计解决方案后，程序将最佳解决方案的各种组合混合，引入随机的“突变”，然后再次运行这些数字。经过多次迭代，程序最终“演化”出一组提供所需结果的设计参数。
在纸质中，Cummer，Li和同事表明，一组这样的解决方案可以以96％的效率为夏普60度的输出角度将直接的声波重定向。以前的设备很幸运能够在此类条件下实现60％的效率。虽然这种特殊设置被设计为控制3,000赫兹的声波 - 一个非常高的间距，而不是在耳朵中获得“振铃” - 超材料可以缩放以影响几乎任何波长的声音。
研究人员及其合作者是下次计划将这些想法转移到诸如声纳等应用的水中的声音，尽管在空气中的应用没有任何想法。至少还没有。
“在谈论波浪时，我经常倒回光学镜头的模拟，”考克说。“如果您尝试使用与这些设备使用相同的方法进行真正薄的眼镜，则它们会发臭。这个演示现在允许我们非常准确地操纵声波，就像声镜一样，这是比以前更好的方式。“
了下:快速原型
