p Pesquisadores de metamateriais da Duke University demonstraram o projeto e a construção de um material fino que pode controlar o redirecionamento e a reflexão de ondas sonoras com eficiência quase perfeita. p Embora muitas abordagens teóricas para projetar tal dispositivo tenham sido propostas, eles têm lutado para controlar simultaneamente a transmissão e o reflexo do som exatamente da maneira desejada, e nenhum foi demonstrado experimentalmente.

p O novo design é o primeiro a demonstrar completo, controle quase perfeito das ondas sonoras e é fabricado de forma rápida e fácil com impressoras 3-D. Os resultados aparecem online em 9 de abril em Nature Communications .

p "Controlar a transmissão e reflexão de ondas sonoras desta forma era um conceito teórico que não tinha um caminho de implementação - ninguém sabia como projetar uma estrutura prática usando essas ideias, "disse Steve Cummer, professor de engenharia elétrica e da computação na Duke. "Resolvemos esses dois problemas. Não apenas descobrimos uma maneira de projetar esse dispositivo, também poderíamos fazer um e testá-lo. E vejam só, realmente funciona. "

p O novo design usa uma classe de materiais chamados metamateriais - materiais artificiais que manipulam ondas como luz e som por meio de sua estrutura, em vez de sua química. Por exemplo, enquanto este metamaterial específico é feito de plástico impresso 3-D, não são as propriedades do plástico que são importantes - são as formas dos recursos do dispositivo que permitem a manipulação das ondas sonoras.

p O metamaterial é feito de uma série de fileiras de quatro colunas ocas. Cada coluna tem quase meia polegada de lado, com uma abertura estreita cortada no meio de um lado, fazendo com que pareça um pouco com a porta Ethernet mais profunda do mundo. Embora o dispositivo demonstrado no artigo tenha 1,6 polegadas de altura e quase 3,5 metros de comprimento, sua altura e largura são irrelevantes - teoricamente, ele poderia se estender para sempre em qualquer direção.

p Os pesquisadores controlam como o dispositivo manipula o som através da largura dos canais entre cada linha de colunas e o tamanho da cavidade dentro de cada coluna individual. Algumas colunas estão totalmente abertas, enquanto outras estão quase fechadas.

p Para entender por que, pense em alguém soprando ar pelo topo de uma garrafa de vidro - o tom que a garrafa faz depende da quantidade de líquido que fica dentro da garrafa. De forma similar, cada coluna ressoa em uma frequência diferente, dependendo de quanto dela é preenchida com plástico.

p Conforme uma onda de som viaja pelo dispositivo, cada cavidade ressoa em sua freqüência prescrita. Essa vibração não afeta apenas a velocidade da onda sonora, mas também interage com as cavidades vizinhas para domar a transmissão e a reflexão.

p "Dispositivos anteriores podiam moldar e redirecionar as ondas sonoras alterando a velocidade de diferentes seções da frente da onda, mas sempre houve dispersão indesejada, "disse Junfei Li, estudante de doutorado no laboratório de Cummer e primeiro autor do artigo. "Você tem que controlar a fase e a amplitude da transmissão e reflexão da onda para atingir eficiências perfeitas."

p Para tornar as coisas mais complicadas, as colunas vibratórias não apenas interagem com a onda sonora, mas também com suas colunas circundantes. Li precisava escrever um 'programa evolutivo de otimização de computador, 'para trabalhar com todas as permutações de design.

p Os pesquisadores alimentam o programa com as condições de contorno necessárias em cada lado do material para ditar como eles querem que as ondas refletidas e de saída se comportem. Depois de tentar um conjunto aleatório de soluções de design, o programa mistura várias combinações das melhores soluções, introduz mutações "aleatórias, "e, em seguida, executa os números novamente. Após muitas iterações, o programa eventualmente "desenvolve" um conjunto de parâmetros de projeto que fornecem o resultado desejado.

p No papel, Cummer, Li e seus colegas demonstram que um desses conjuntos de soluções pode redirecionar uma onda de som que vem direto para o metamaterial para um ângulo de saída de 60 graus com uma eficiência de 96 por cento. Dispositivos anteriores teriam a sorte de atingir 60 por cento de eficiência sob tais condições. Embora esta configuração em particular tenha sido projetada para controlar uma onda sonora em 3, 000 Hertz - um tom muito alto não muito diferente de obter um "zumbido nos ouvidos" - os metamateriais podem ser dimensionados para afetar quase qualquer comprimento de onda do som.

p Os pesquisadores e seus colaboradores estão planejando transferir essas idéias para a manipulação de ondas sonoras na água para aplicações como sonar, embora não haja ideias para aplicações no ar. Pelo menos ainda não.

p “Quando se fala em ondas, Costumo recorrer ao análogo de uma lente óptica, "disse Cummer." Se você tentou fazer óculos realmente finos usando as mesmas abordagens que esses tipos de dispositivos têm usado para o som, eles cheirariam mal. Esta demonstração agora nos permite manipular as ondas sonoras com extrema precisão, como uma lente para som que seria muito melhor do que antes. "