Co sonar „nevidí“  
Vědci hledají akustický plášť neviditelnosti.

 

Zvětšit obrázek
Nick Fang a kruh ultrazvukové neviditelnosti. Dalšími spoluautory jsou Shu Zhang a Chunguang Xia. Jména typická pro americký materiálový výzkum. (Mezi klimatickými modeláři jich moc nenajdete. Někdo musí přece zajišťovat reálný technologický pokrok:)  Foto: L. B. Stauffer

Stát se někdy neviditelným je vzrušující a vábivá představa zpodobena v pohádkách pro děti i dospělé (Byl jednou jeden král, Harry Potter, Neviditelný muž...). Jde o zcela nerealizovatelné touhy. Naštěstí. V kombinaci s lidskou přirozeností by plášť nebo elixír neviditelnosti byl katastrofální zbraní. Snaha o utajení objektů různého druhu ale reálná je někdy až příliš a patří mezi důležité, zejména pro armádu zajímavé cíle bádání v několika oborech, nejen v optice a materiálovém výzkumu. Nejznámějším výsledkem jsou tvary a povrchy, které utajují letadla před radary. Fyzikové si ale hrají i s neviditelností v oblasti viditelného světla, i když zatím jenom v laboratořích, kde „ukrývají“ miniaturní objekty nanometrových rozměrů.


Viditelné světlo, radarové vlny nebo mikrovlny jsou zářením elektromagnetickým. Zvukové vlny, s nimiž pracují sonary, představují kinetickou energii šířící se prostředím směrem od zdroje pomocí podélných hustotních oscilací atomů, případně molekul materiálu. Proto se zvuk nemůže šířit vakuem, kde se světelné vlny (proud fotonů) s amplitudou kolmou na směr paprsku šíří tou maximální rychlostí. To je dobré si uvědomit, když chceme pochopit rozdílné principy neviditelnosti v optice a akustice.

Zvětšit obrázek
Při laboratorních testech vědci umístili všechny tři prvky – zdroj ultrazvuku, předmět bez akustického krytu a s krytem i snímací hydrofon do jedné roviny – na dno nádrže s vodou. Kredit: Zhang, Xia & Fang

 

V těchto dnech mnohé zahraniční stránky popularizující vědu přebraly zprávu z University v Illinois, která propaguje výsledky výzkumu týmu z Katedry mechaniky a strojírenství. Vědci pod vedením Nicholase (Nicka) Fanga vytvořili kruhový kryt s otvorem ve středu, do kterého když se vloží předmět, stane se pro sonar neviditelný.


Tento štít akustické neviditelnosti je vyrobený z hliníku a má tvar kruhu s průměrem necelých 11 cm, s centrálním 2,7centimetrovým otvorem. Speciálně tvarovaný povrch je strukturovaný do šestnácti soustředných kruhových drážek. Detailnější pohled odhalí, že jde vlastně o systém prohlubní navzájem propojených kanálky (obrázek vpravo). Šířka jednotlivých drážek byla určena podle vlnové délky zvukové vlny s frekvencí 60 kHz šířící se vodním prostředím.

Zvětšit obrázek
Kruh zajišťující malému tělesu umístěnému do středového otvoru neviditelnost pro široké rozpětí ultrazvukových vln. Index lomu má každý ze 16 kruhových akustických vlnovodů jiný a zvolený tak, aby rychlost ultrazvuku směrem do středu narůstala. Kredit: L. B. Stauffer a Zhang, Xia & Fang

Kruhový zvukový vlnovod nejblíže ke středovému otvoru má šířku λ/7, druhý λ/8, třetí a čtvrtý λ/9. Pátý až šestnáctý pak má šířku desetiny vlnové délky. I počet prohlubní se mění. První drážka je rozdělena na 32 sektorů, druhá až pátá na dvojnásobek, tedy na 64 prohlubní a vnějších deset drážek pak opět na dvojnásobek - na 128 prohlubní.


Protože ale délka kruhových drah od středu k vnějšímu obvodu narůstá, každá má jiný index lomu, přičemž ty vnější zpomalují zvukové vlny více, než vnitřní.

„V podstatě se díváte na soustavu prohlubní propojených kanálky, kterými se zvuková vlna šíří. Prohlubně jsou projektované tak, aby ji zpomalovaly. Jak ale proniknou blíže středu, pohybují se rychleji,“ vysvětluje Fang.

Zvětšit obrázek
Když vědci do cesty ultrazvukovým vlnám různých frekvencí položili nízký ocelový váleček, vytvořil se za ním akustický stín. Když ho ale umístili do stínícího kruhu, akustické pole zůstalo téměř neporušené. Barevná škála představuje poměrnou velikost amplitudy. Jde o podélné vlnění, proto si ho nelze představit jako sinusoidu, ale jako hustotní oscilace ve směru postupu akustického vzruchu. Kredit: Zhang, Xia & Fang


Přechod do vnitřních drah ale vyžaduje energii pro vyšší rychlost, proto se ultrazvukové vlny snaží procházet zejména vnějšími drážkami, čímž obcházejí stíněný objekt. A právě to je účel designu tohoto štítu akustické neviditelnosti. Jeho úkol se dá stručně shrnout: co nejméně narušit průběh a tvar okolo se šířících ultrazvukových vln. Na „návětrné“ straně stínícího kruhu téměř nedochází k zpětným odrazům a na opačné, „závětrné“ vycházející vlny doplňují ty přecházející okolo tak, že výsledný tvar vlnění se snímacímu hydrofon jeví téměř neporušený. Jako kdyby ultrazvuku v cestě nic nestálo.


Z toho je zjevné, že vědci vyřešili problém akustické neviditelnosti jen pro dvojrozměrný prostor, kdy zdroj ultrazvuku, amplituda přicházejícího podélného vlnění, akustické stínítko a hydrofon musí být v jedné rovině. Ani ukrývaný předmět nesmí ze středového otvoru vyčnívat. Znamená to, že sonar umístěný například kolmo nad stínící kruh ho „vidí“. Jde tedy o stínění směrově závislé, zato ale funguje v širším rozsahu frekvencí ultrazvuku od 52 do 64 kHz. Pro porovnání: náš sluch vnímá frekvence přibližně mezi 20 Hz až 20 kHz.


Mluvit o nějakém praktickém využití například pro vojenské ponorky tedy nelze. I když se vědci v závěru svého článku, který vyjde v odborném časopisu Physical Review Letters zmiňují o možných aplikacích „v nesčetných úžasných zařízeních“, žádné konkrétní nejmenují.

 

 

 



Zdroje: Broadband Acoustic Cloak for Ultrasound Waves (preprint), University of Illinois News

Datum: 08.01.2011 11:09
Tisk článku


Diskuze:

Žádný příspěvek nebyl zadán



Pro přispívání do diskuze musíte být přihlášeni












Tento web používá k poskytování služeb, personalizaci reklam a analýze návštěvnosti soubory cookie. Používáním tohoto webu s tím souhlasíte. Další informace