元镜反射任何方向的声波

杜克大学和阿尔托大学(芬兰)的研究人员构建了一种能够在任何方向上完美反射声波的“元镜”装置。原理证明演示类似于直视镜子，只看到你旁边的人而不是你自己的脸。

“当你观察日常镜子时，光线遵循反射定律：光线必须以与它相同的角度从光线反射回来，”杜克大学电气和计算机工程博士生李俊飞说。 。同样的规则通常适用于声音，但“我们想看看我们是否可以在不同的方向发送波浪。”

为了打破声波的反射定律，研究人员必须设计一种能够精确控制整个波浪的振幅(响度)和速度的装置，这比听起来更难。

“我们能够实现这一目标的一种方法就是神奇地发射一种精确控制的声波，这种声波可以像撞击台球桌上的球那样”撞击“传入的声波，”李说。“但试图这样做会造成很多麻烦，这不是一个实际的想法。”

李和他的同事没有诉诸魔法，而是转向超材料 - 人造材料通过结构而不是化学来操纵光线和声音之类的波浪。例如，虽然研究人员设计的特定超材料是由塑料制成的，但塑料的特性并不重要; 它是设备功能的形状，允许它在任何方向上引导声波。

超材料的表面看起来很像波浪本身，蚀刻有一系列不同深度的通道。这些深度被设计成精确地控制声波从元镜的各个点反射的速度。它们的波状定位控制着声波的振幅。

杜克电气和计算机工程教授史蒂夫库默说：“因为声波携带能量，你必须给它一个重新定位的能力。” “但要完美地做到这一点，你要么必须主动地重新分配元镜面上的能量，这是不可行的，或者你必须巧妙地选择能量分布最终在各处都相同的形状。”

当声波撞击元镜时，它会从其曲面反射并干扰自身。在元镜的形状和其通道的深度之间，这种干涉图案导致声波在期望的方向上反射，而其任何能量都不会被吸收或散射在不希望的方向上。

在概念验证演示中，超材料设备将声波以3000赫兹的速度直接朝向它传播，非常高的音高与“在你的耳朵里响起”并没有什么不同，并且以70度的角度完美地反射它。

虽然原型设备专门针对一个频率和反射角度而定制，但研究人员计划采用一种动态设备，可以改变形状以反映不同方向的不同频率。他们还计划在类似的水下声学应用设备上工作。

也可以创建类似的装置来控制光波，尽管其特征必须以更小的尺度设计，因为光波长更短。这种装置不仅能够反射不同方向的光，而且还可以将单个波分成两个任意方向。

“我们不仅找到了设计高效超曲面的方法，我们还可以根据不同的功能调整设计，”阿尔托大学博士后研究员AnaDíaz-Rubio说，他领导了该项目的基础理论。“这些表面是任意控制反射的通用平台。”