Область трансформационной оптики процветала в течение последнего десятилетия, позволяя ученым разрабатывать структуры на основе метаматериалов, которые формируют и направляют поток света. Одним из самых ослепительных изобретений, потенциально открываемых трансформационной оптикой, является плащ-невидимка - теоретическая ткань, которая отводит падающий свет от владельца, делая его невидимым. Интересно, что такие иллюзии не ограничиваются только манипуляциями со светом.
Многие методы, используемые в трансформационной оптике, были применены к звуковым волнам, что привело к появлению параллельной области трансформационной акустики. На самом деле исследователи уже добились существенного прогресса, разработав "акустический плащ", аналог плаща-невидимки для звуков. В то время как исследования акустической иллюзии были сосредоточены на концепции маскировки присутствия объекта, особого прогресса в решении проблемы маскировки местоположения достигнуто не было.
Концепция переключателя акустического источника использует структуру, которая позволяет расположению источника звука казаться отличным от его фактического местоположения. Такие устройства, способные "акустически маскировать местоположение", могли бы найти применение в продвинутой голографии и виртуальной реальности. К сожалению, природа маскировки местоположения практически не изучена, и разработка доступных материалов и поверхностей, которые обеспечивали бы достойные эксплуатационные характеристики, оказалась сложной задачей.
На этом фоне профессор Гаруда Фуджи, сотрудник Института инженерной и энергетической ландшафтной архитектоники Brain Bank (ELab2) в Университете Шиншу, Япония, в настоящее время добились прогресса в разработке высокопроизводительных преобразователей исходного кода. В недавнем исследовании, опубликованном в Журнал звука и вибрации онлайн 5 мая 2023 года, проф. Компания Fujii представила инновационный подход к проектированию структур источника-переключателя из акрилонитрилбутадиенстирола (ABS), эластичного полимера, широко используемого в 3D-печати.
Профессор Подход Fujii основан на основной концепции: обратном проектировании, основанном на оптимизации топологии. Численный подход основан на воспроизведении полей давления (звука), излучаемых виртуальным источником, то есть источником, который находящиеся поблизости слушатели ошибочно восприняли бы как реальный. Затем поля давления, излучаемые фактическим источником, изменяются таким образом, чтобы замаскировать местоположение и заставить его звучать так, как будто он исходит из другого места в пространстве. Этого можно достичь при оптимальном проектировании метаструктуры, которая, благодаря своей геометрии и упругим свойствам, сводит к минимуму разницу между полями давления, излучаемыми реальным и виртуальным источниками.
Используя этот подход, проф. Компания Fujii внедрила итеративный алгоритм для численного определения оптимальной конструкции переключателей источников из АБС-смолы в соответствии с различными критериями проектирования. Его модели и имитационное моделирование должны были учитывать акустоупругие взаимодействия между жидкостями (воздухом) и твердыми эластичными конструкциями, а также фактические ограничения современной технологии производства.
Результаты моделирования показали, что оптимизированные структуры могут уменьшить разницу между полями излучаемого давления замаскированного источника и полями открытого источника в виртуальном местоположении всего до 0,6%. "Оптимальные конфигурации структуры, полученные с помощью оптимизации топологии, показали хорошие результаты при маскировке фактического местоположения источника, несмотря на простой состав ABS, который не включал сложные акустические метаматериалы"., замечания проф. Фуджи.
Чтобы пролить больше света на лежащие в основе маскировки механизмы, проф. Фуджи проанализировал важность расстояния между виртуальными и реальными источниками. Он обнаружил, что большее расстояние не обязательно ухудшает работу источника-переключателя. Он также исследовал влияние изменения частоты издаваемого звука на производительность, поскольку переключатели источников были оптимизированы только для одной целевой частоты. Наконец, он исследовал, можно ли топологически оптимизировать преобразователь источника для работы на нескольких звуковых частотах.
Хотя его подход требует дальнейшей доработки, результаты этого исследования, несомненно, помогут продвинуть акустику иллюзии. Он заключает, "Предложенный метод оптимизации для проектирования высокопроизводительных преобразователей источника поможет в разработке акустической маскировки местоположения и продвижении технологии голографии".
Комментарии