Các nhà vật lí đã tạo ra siêu thấu kính âm học này từ sự sắp xếp 49 lon coca. Cũng có thể thấy trong hình là các loa điều khiển và microphone treo lơ lửng phía trên dàn lon. (Ảnh: Geoffroy Lerosey)
“Siêu chất liệu âm học” nghe có vẻ kì lạ, nhưng các nhà nghiên cứu ở Pháp vừa làm chủ được việc lắp ráp một siêu chất liệu từ vài chồng lon coca. Sắp xếp thành hình lưới, những lon nước uống có thể tác dụng như một siêu thấu kính đối với âm thanh, tập trung sóng âm vào những vùng nhỏ hơn nhiều so với bước sóng dài hàng mét thường cho phép. Những lon nước tác dụng như những bộ cộng hưởng, lái khối âm thanh đạt cực đại trong một không gian chri rộng vài centimet, và độ chính xác cao này có thể cải thiện những hệ truyền động-âm thanh.
Ánh sáng hoặc sóng âm đang lan truyền bị nhiễu xạ khi chúng chạm tới một vật, với sự giao thoa thu được ngăn cản sóng bị tập trung vào một đốm nhỏ hơn khoảng một nửa bước sóng của chúng. Tuy nhiên, quá trình tán xạ còn liên quan đến sóng phù du, cái ngăn cản sự gián đoạn trong trường điện từ và mờ đi nhanh chóng ra xa – trong vòng nửa bước sóng của vật phản xạ.
Siêu thấu kính thu nhận và khuếch đại những sóng phù du này và mang lại một phương pháp phá vỡ giới hạn nhiễu xạ. Nay Geoffroy Lerosey, Fabrice Lemoult và Mathias Fink thuộc Viện Langevin ở Paris vừa phát triển một hệ xây dựng và điều khiển các sóng phù du để làm tập trung hẹp năng lượng âm thanh.
Sự cộng hưởng tập thể
Mỗi hệ có thể cộng hưởng ở tần số khoảng 420 GHz, thấp hơn mức chuẩn hòa nhạc A một chút và trên mức C trung. Tuy nhiên, bằng cách bố trí 49 lon thành một hình vuông 7 x 7, các lon cộng hưởng tập thể chứ không tác dụng riêng lẻ nữa. Khi chơi một nốt đơn, sử dụng những kết hợp khác nhau của tám cái loa đặt xung quanh dàn lon, các nhà nghiên cứu có thể làm cho dàn lon cộng hưởng ở tần số khoảng 340 – 420 Hz. Những cộng hưởng này là những sóng phù du hình thành trong khoảng giữa các lon.
Những cộng hưởng khác nhau tạo ra những hình dạng khác nhau trong phân bố áp suất trên dàn lon, được đo với một microphone phía trên các lon. Một khi các nhà nghiên cứu đã ghi được 49 phân bố áp suất, hay mốt cộng hưởng, họ sẽ có thể nghĩ ra những cách xếp lớp các cộng hưởng sao cho chúng tăng cường nhau ở một số chỗ và triệt tiêu nhau ở những chỗ khác.
Đội nghiên cứu đã làm chủ mục tiêu này thông qua sự nghịch đảo thời gian, một phương pháp có nhiều điểm giống với nghiên cứu của Fink kể từ đầu thập niên 1990. Các nhà nghiên cứu chọn một cái lon sẽ chứa âm thanh tập trung và tưởng tượng âm thanh truyền từ nó đến từng cái loa. Sau đó, đội chơi những phiên bản đảo ngược thời gian của những sóng giả thuyết này qua các loa, và âm thanh tự nhiên hình thành tại cái lon đã chọn và triệt tiêu nhau ở những chỗ khác. “Tôi cũng có thể chọn xây dựng một trường sóng phức tạp hơn trên các lon, tập trung vào ba điểm cùng một lúc”, Lerosey nói.
Những âm thanh ma quái
Kĩ thuật này làm tập trung sóng âm lên một đốm bằng một phần tư cỡ giới hạn nhiễu xạ, Để tập trung sóng âm khít hơn nữa, đội nghiên cứu cần chống lại sự tổn thất năng lượng khi sóng âm truyền qua các lon nước. Yêu cầu này được thực hiện bằng cách khuếch đại những tần số bị tổn thất, nhờ đó tạo ra những tín hiệu tăng cường và triệt tiêu chính xác hơn. Những âm thanh ma quái này, giống như tiếng chuông gõ ở đằng xa làm cho một miếng kim loại ở gần run rẩy, tập trung vào những đốm không lớn hơn nhiều so với miệng lon – khoảng bằng một phần 12 của giới hạn nhiễu xạ.
“Tôi đặc biệt ấn tượng trước bố trí thí nghiệm của họ. Nó thật đơn giản và ngăn nắp”, phát biểu của Jie Zhu thuộc trường Đại học California, Berkeley. “Nhưng những kết quả đã chứng minh thực nghiệm của họ là rõ ràng và trung thực”.
Nicholas Fang thuộc Viện Công nghệ Massachusetts ở Cambridge thì gọi phương pháp mới trên là tập trung âm thanh “một cách hào hứng”. Ông tin rằng phương pháp đó có thể áp dụng cho những tần số siêu âm bằng cách sử dụng những bộ cộng hưởng nhỏ hơn. “Một hiệu ứng như vậy có thể hữu ích cho những ứng dụng như sắp xếp tế bào trong những lĩnh vực y sinh và loại bỏ hạt trong sự làm sạch bằng siêu âm, cũng như những cơ cấu chuyển động khác”, ông giải thích.
Chuyển động cùng với âm thanh
Những cơ cấu truyền động âm học khai thác sóng âm để di chuyển vật chất, và Lerosey cho biết trường âm thanh phát ra bởi các lon không những chính xác hơn một trường tập trung bình thường, mà nó còn mạnh hơn. Ông cũng đề xuất kĩ thuật trên có thể mở rộng để tập trung sóng trong những chất liệu đàn hồi. Nhưng ở mức độ cơ bản, Lerosey cho biết chiến lược mới này “mang cho bạn khả năng thao tác với âm thanh theo những kiểu mới chưa từng thu được trước đây”.
Nghiên cứu công bố trên tạp chí Physical Review Letters.
Nguồn: physicsworld.com
