غشایی ساخت‌یافته میزان عبور صوت از مرز میان آب-هوا را تقویت می‌کند و کاری می‌کند که صداهای زیر آب در بالای آب و در هوا نیز شنیده شوند.

امواج صوتی اغلب پس از برخورد به مرز میان آب-هوا بازمی‌گردند و این امر موجب می‌شود شنیدن صداهای زیر آب از بالای آب غیرممکن باشد. اما فیزیک‌پیشگان به تازگی سازه‌ای طراحی کرده‌اند که هنگامی که در تماس با سطح قرار گیرد، می‌تواند توان عبوری صوت را تا 160 برابر تقویت کند و به 30 درصد کل انرژی صوت امکان عبور ‌دهد. از این فن‌آوری می‌توان برای برقراری ارتباط با افراد زیر آب یا دیده‌بانی محیط‌ اقیانوس‌ها استفاده کرد. با پیشرفت‌های بعدی در ساخت مواد انتقال‌دهنده‌ی‌صدا می‌توان به آشکارسازهای صوتی زیرآب حساس‌تر دست یافت.

وقتی صدا به مرز میان دو ماده با چگالی و سرعت صوت متفاوت برخورد می‌کند، تا حدی از آن سطح بازتاب داده می‌شود. با قرار دادن ماده‌ای واسط با ویژگی‌های حساس به صوت در مرز، کاهش میزان این بازتابش و در نتیجه افزایش میزان عبور امکان‌پذیر می‌شود [1]. این ماده اتصال‌دهنده صوتی همان ژلی است که در اسکن فراصوت پزشکی برای کمک به عبور امواج صوت از بدن به آشکارساز استفاده می‌شود. به هرحال، آب و هوا کاملاً متفاوت هستند و هیچ ماده معمول و رایجی دارای ویژگی‌های درست برای قرار گرفتن به عنوان واسط میان این دو نیست.

گروهی از پژوهش‌گران به سرپرستی سام لی (Sam Lee) از دانشگاه یانسه سئول در کره‌جنوبی، تکنیک دیگری را به نمایش گذاشته‌اند: تقویت توان عبوری با استفاده از فراماده (ساختاری که برای نشان دادن ویژگی‌هایی خاص طراحی شده است که شبیه به هیچ یک از مواد طبیعی نیست). در این مورد، پوسته یا کاواکی استوانه‌ای شکل، با غشای پلاستیکی نازک در انتهای یکی از سرهای آن این کار را انجام می‌دهد. این غشا توسط قاب‌هایی محکم به چند بخش‌ تقسیم می‌شود و ماده‌ای شبیه به قرص به بخش مرکزی آن متصل شده است. وقتی که در مرز میان هوا-آب قرار داده شود و موج صوتی فرودی به آن ضربه می‌زند، این سازه با تولید موجی ثانویه به آن پاسخ می‌دهد. این گروه توانستند با تنظیم طول کاواک، تنش غشای انتهایی و اندازه ماده قرصی‌شکل این موج ثانویه را تغییر دهند. آن‌ها بر اساس محاسبات، سازه‌ای را انتخاب کردند که موج ثانویه‌اش با موج بازتابی به شکل مخرب تداخل کند و بنابراین موج عبوری تقویت شود.

برای آزمودن این سازه، لی و هم‌کارانش آزمایش خود را با تولید صدایی در لوله‌ای عمودی‌شکل به قطر 30 میلی‌متر، که توسط جداکننده پلاستیکی نازکی به دو بخش تقسیم می‌شد، آغاز کردند. بخش بالایی از هوا و بخش پایینی از آب پر شد. قبل از اضافه کردن فراماده، این گروه عبور امواج صوتی را از آب به هوا، با استفاده از امواجی با فرکانس 600 تا 800 هرتز اندازه‌گیری کردند. آن‌ها دریافتند در تمام فرکانس‌ها تنها حدود 2/0 درصد انرژی موج از مرز عبور می‌کند.

اما با قرار دادن فراماده در سطح تماس جداکننده پلاستیکی، مرز اجازه داد که 30 درصد انرژی موج در فرکانس‌های حدود 700 هرتز عبور کند. برای فرکانس‌های دیگر، در بازه 650 تا 750 هرتز نیز میزان عبور افزایش یافته بود، هرچند این افزایش چندان زیاد نبود. اعضای این گروه تأکید داشتند که فرکانس مربوط به میزان عبور حداکثر، قابل تغییر است یا حتی قابل بسط به بازه فرکانسی وسیعی می‌باشد و این کار با تغییر تنش غشا یا ایجاد تنظیمات دیگر در ساختار فراماده انجام می‌شود.

این گروه شبیه‌سازی عددی گسترده‌ای نیز انجام دادند که رفتار موج مشاهده‌شده را به تصویر می‌کشید. هم‌چنین چندین سازه حلقه‌ای دیگر را بدون هم‌پوشانی نزدیک به هم قرار داده و شبیه‌سازی‌ها را تکرار کردند تا آرایه‌ای بسازند که بتواند میزان موج صوتی عبوری را برای سطحی وسیع‌تر افزایش دهد.

پیش‌بینی لی و هم‌کارانش این است که چنین فراماده‌ای کاربردهای گوناگون در زمینه گذر صوت از آب به هوا و برعکس داشته باشد. برای مثال،‌ این فن‌آوری می‌تواند موجب پیشرفت میکروفون‌های زیرآبی (هیدروفون‌ها) شود که در حال حاضر حساسیتش 1000 برابر کم‌تر از حساسیت میکروفون‌هایی است که در هوا کار می‌کنند. می‌توان دستگاهی مرکب (هیبریدی) را تصور کرد که در آن یک میکروفون معمولی در کاواکی قرار گرفته که هوا به داخل آن نفوذ نمی‌کند و با فراماده‌ای به عنوان واسط احاطه شده است. وقتی در آب قرار گیرد، فراماده امواج صوتی را به داخل کاواک عبور می‌دهد، که در آن‌جا این امواج صوتی توسط میکروفون پخش می‌شود. پژوهش‌گران اظهار داشتند این واسط می‌تواند آشکارسازی و دریافت امواج صوتی را نسبت به بهترین هیدروفون‌های حال حاضر، 10 برابر افزایش دهد.

به گفته پینگ شنگ (Ping Sheng) فیزیک‌دانی از دانشگاه علوم و فن‌آوری هنگ‌کنگ که در زمینه فراماده‌ها پژوهش می‌کند، نویسندگان این مقاله راه حلی بسیار بسیار ساده برای مسأله عبور امواج صوتی از یک مرز پیدا کرده‌اند. وی می‌گوید: «آن‌چه غافل گیرکننده است آن است که چرا بسیار پیش از این‌ها چنین چیزی کشف نشده بود». دنیل تورنت (Daniel Torrent) کارشناس و متخصص فراماده‌ها از دانشگاه بوردو فرانسه اظهار می‌دارد از آن‌جا که فراماده می‌تواند انتقال امواج صوتی را از شی مورد مطالعه که درون آب قرارگرفته، از طریق هوا، به یک آشکارساز بهبود بخشد، این فن‌آوری می‌تواند روشی غیرتماسی برای اجرای تصویربرداری فراصوت باشد.

این مقاله در Physical Review Letters چاپ شده است.

نویسنده: مارک بیوکانان نویسنده مستقل که در زمان‌های مختلف در ولز، بریتانیا و نورماندی فرانسه کار می‌کند.

منبع: Aquatic Eavesdropping

مرجع:

1.H. Zhang, Z. Wei, L. Fan, J. Qu, and S.-y. Zhang, “Tunable Sound Transmission at an Impedance-Mismatched Fluidic Interface Assisted by a Composite Waveguide,” Sci. Rep. 6, 34688 (2016).