Метаструктуры, состоящие только из одной смолы для маскировки местоположения
в Японии разработал эластичную конструкцию для маскировки местоположения. а) оптимальный источник звука-переключатель, изготовленный из акрилонитрил-бутадиен-стирола, b) звуковое давление вокруг источника-переключателя и c) разница между излучаемым полем давления и идеальным полем, которое сводится к минимуму за пределами источника-переключателя. Предоставлено: Гаруда Фудзии из Университета Синсю
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 отклоняет входящий свет от владельца, делая его невидимым. Интересно, что такие иллюзии не ограничиваются только манипуляциями со светом.
Многие из методов, используемых в трансформационной оптике, были применены к звуковым волнам, что привело к появлению параллельного поля акустики преобразования. 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, не было достигнуто большого прогресса в проблеме маскировки местоположения.
Концепция акустического источника-переключателя использует структуру, из-за которой местоположение источника звука отличается от его фактического местоположения. Такие устройства, способные к «акустической маскировке местоположения», могли бы найти применение в продвинутой голографии и виртуальной реальности. К сожалению, природа маскировки местоположения почти не изучена, и разработка доступных материалов и поверхностей, которые обеспечивали бы достойную производительность, оказалась сложной задачей.
На этом фоне профессор Гаруда Фудзии, аффилированный с Банком мозга Института инженерной и энергетической ландшафтной архитектоники (ELab2) в Университете Синсю, Япония, в настоящее время добился прогресса в разработке высокопроизводительных переключателей источника. В недавнем исследовании, опубликованном в Journal of Sound and Vibration, профессор Фудзии представил инновационный подход к проектированию структур «источник-сдвиг» из акрилонитрил-бутадиен-стирола (АБС), эластичного полимера, обычно используемого в 3D-печати.
Подход профессора Фудзии 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 воспринимают как реальный.
Затем поля давления, испускаемые фактическим источником, манипулируются, чтобы замаскировать местоположение и заставить его звучать так, как если бы оно исходило из другого места в пространстве. Это может быть достигнуто с помощью оптимальной конструкции метаструктуры, которая в силу своей геометрии и упругих свойств сводит к минимуму разницу между полями давления, излучаемыми реальным и виртуальным источниками.
Используя этот подход, профессор Фудзии реализовал итеративный алгоритм для численного определения оптимальной конструкции источников-сдвигов из АБС-смолы в соответствии с различными критериями проектирования. Его модели и симуляции должны были учитывать акустико-упругие взаимодействия между жидкостями (воздухом) и твердыми упругими структурами, а также фактические ограничения современных технологий производства.
Результаты моделирования показали, что оптимизированные структуры могут уменьшить разницу между излучаемыми полями давления замаскированного источника и полями давления голого источника в виртуальном месте до 0,6%. «Оптимальные конфигурации структуры, полученные с помощью оптимизации топологии, показали хорошие характеристики при маскировке фактического местоположения источника, несмотря на простой состав АБС, который не содержал сложных акустических метаматериалов», — отмечает профессор Фудзии.
Чтобы пролить больше света на лежащие в основе механизмы маскировки, профессор Фудзии проанализировал важность расстояния между виртуальными и реальными источниками. Он обнаружил, что большее расстояние не обязательно ухудшает производительность источника-переключателя. Он также исследовал влияние изменения частоты излучаемого звука на производительность, поскольку источники-сдвиги были оптимизированы только для одной целевой частоты. Наконец, он исследовал, может ли источник-сдвиг быть топологически оптимизирован для работы на нескольких звуковых частотах.
Хотя его подход требует дальнейшей тонкой настройки, результаты этого исследования, несомненно, помогут продвинуть акустику иллюзий. Он заключает: «Предлагаемый метод оптимизации для проектирования высокопроизводительных переключателей источника поможет в разработке акустического камуфляжа местоположения и развитии технологии голографии».
Оригинал статьи: Garuda Fujii, Camouflaging the location of a sound source via topology-optimized source-shifter, Journal of Sound and Vibration (2023).
Нашли ошибку в тексте? Напишите нам.
