▲超材料经过工程加工，可同时完美传输和反射声波。
4月9日出版的《自然通讯》载文称，美国杜克大学的超材料研究人员制造的新型装置，首次实现了对声波的完美重定向和反射。该装置的主材为塑料，可由3D打印机快速完成装配。杜克大学电气与计算机工程教授Steve Cummer表示，虽然很长时间以来，采用这种方式控制声波的传输和反射只是一个理论概念，但他们最终将理论变为了现实。
声波控制装置使用了超材料。超材料是一种人工材料，它只需通过自身结构即可控制光和声波，即装置的特殊之处并不在于3D打印成型的塑料本身，而是塑料的形状。这种超材料装置由一系列中空的圆柱体构成，每一组高约半英寸，并在一侧中部有狭窄的开口。虽然论文中提及的装置有1.6英寸高，3.5英尺长，但其高度和宽度无关——理论上讲，它可以向任何方向无限延伸。研究人员主要通过控制设备各列通道的宽度和单独内腔的尺寸来控制声波。设备的工作原理与向玻璃瓶吹气相似，玻璃瓶的音高取决于瓶中液体的体积。类似地，每一组塑料以不同频率产生的共鸣取决于塑料的多少。当声波在设备中传输时，每个空腔都会以规定频率共振，振动不仅会影响声波的速度，还会与邻近空腔相互作用，影响声波的传输和反射。
“之前的设备大多通过改变波前不同区域的速度来改变声波的形状和方向，但总是会出现多余的散射，”论文第一作者，博士生Junfei Li说，“要达到完美的效率，必须控制波的传输和反射的相位和振幅。”为此，Li需要写一个优化的程序。在研究人员的不懈努力下，经过多次迭代，程序终于得出了最优的设计参数——向超材料径直而来的声波能够以96%的效率重定向至60°，远超之前的结果（60%）。此外，虽然论文中的装置是为3000Hz的声波设计的，但它可以被任意放大，以适应各种波长的声波。接下来，研究人员计划对该声波装置的应用展开深入研究。
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编译：雷鑫宇 责编：李雪
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