Фізики з Інституту інтелектуальних систем суспільства Макса Планка розробили нову техніку акустичної голографії, що дозволяє створювати звукові поля рекордно складних форм. Основним застосуванням для неї автори називають акустичну левітацію і маніпуляцію мініатюрними об'єктами, в основі техніки лежить моделювання і друк голограм за допомогою 3D-принтера. Дослідження опубліковано в журналі.
Акустична левітація - методика, в якій за допомогою звукових хвиль (вони ж є хвилями тиску, наприклад, у повітрі або у воді) вчені керують рухом частинок у просторі. Такі маніпуляції дозволяють працювати з об'єктами, яких з якоїсь причини не можна стосуватися. Наприклад, за допомогою досить потужних джерел звуку можна домогтися левітації крапель розплавленого металу. Щоб зафіксувати лівітований об'єкт у просторі, необхідно створити стоячу акустичну хвилю. Розподіл тисків у ній немов би не змінюється з часом - змінюється лише амплітуда хвилі.
Традиційно для акустичної левітації використовується пара джерел звуку, хвилі від яких інтерферують, формуючи стоячу хвилю. Однак вона дозволяє керувати положенням частинок лише вздовж однієї осі. Якщо потрібно створити складніші конструкції з лівітованих об'єктів, інженери використовують масиви з декількох джерел звуку - інтерференція випромінювання призводить до виникнення полів тиску складної форми. Робота з такими системами вимагає високої точності налаштування пристроїв - наприклад, їх робочі частоти повинні збігатися, а положення джерел має бути чітко визначено. За допомогою такої техніки в 2015 році фізики створили «притягуючий промінь».
Альтернативою використанню великої кількості джерел звуку є акустична голографія. Її традиційний оптичний аналог дозволяє створювати складні світлові поля за допомогою одного джерела світла (лазера) і спеціальної платівки. В останній записується інформація про напрямок і фаз випромінювання, що падає на неї. Для створення лазерної голограми використовується лазер, частина випромінювання якого відображається від об'єкта, що «записується», а частина безпосередньо падає на фоточутливу платівку. Результат інтерференції між цими лазерними пучками і виявляється записаний у платівці.
Для створення акустичних голограм можна використовувати аналогічні методики, пов'язані із записом інтерференційних картин звукових хвиль. Однак роздільна здатність, необхідна для їх створення, набагато менша, ніж для оптичних. Завдяки цьому акустичні голограми можна створювати і безпосередньо, не маючи «зразка» звукового поля. У новій роботі автори продемонстрували, що для цього можна використовувати 3D-друк.
На першому етапі створення голограми фізики моделювали інтерференційну картину, яка виникне при складанні записуваного звукового поля і опорного акустичного випромінювання. Потім дослідники використовували тривимірну модель цієї картини для 3D-друку голографічної платівки зі звичайного пластику. Для читання голограми платівку закріплювали на джерелі ультразвуку і поміщали під воду.
Автори перевірили працездатність методики на акустичних полях складної форми. Так, вченим вдалося створити стоячу хвилю, що повторює за формою «Голуба миру» Пабло Пікассо, і використовувати її для самозбірки частинок. Крім того, фізики показали, що за допомогою тієї ж техніки можна змусити частинки рухатися певними траєкторіями і левітувати.
Вчені зазначають, що нова методика дозволяє створювати звукові поля з величезною кількістю ступенів свободи - варіюваних параметрів. За оцінками фізиків, складність створюваних полів приблизно в сто разів перевищує інші ультразвукові техніки.
Нещодавно фізики з Великобританії і Бразилії побили рекорд розміру левитованого об'єкта. Традиційні методики акустичної левітації обмежені діаметром частинок у чверть довжини хвилі використовуваного випромінювання - вчені перевершили це обмеження майже в 15 разів. Іншій групі британських вчених вдалося створити прототип левітаційних рукавичок. Одним із застосувань таких пристроїв є маніпуляція об'єктів в умовах мікрогравітації.