Группа инженеров из Швейцарской высшей технической школы Цюриха создала специальную резонирующую камеру из пяти отсеков, позволяющую конвертировать эванесцентные волны в обычные звуковые и наоборот. Для изготовления устройства использовались метаматериалы и 3D-печать. Новый прибор, прикрепленный вместе с микрофонами и источниками звука к роботу, дает возможность построить акустическое изображение «каркаса» любого объекта – совокупность пересечения его граней и контуров, в том числе самых мельчайших. Работа опубликована в журнале Nature Communications.
Ультразвук уже давно применяется для изучения морского дна (эхолокация), передвижения стай и косяков рыбы, поиска мелких, незаметных глазу дефектов в деталях самолетов и космических аппаратов. Однако помимо обычных ультразвуковых волн для построения изображений могут использоваться и так называемые эванесцентные (затухающие) волны. Эти волны распространяются у границы раздела двух сред с разными свойствами. При удалении от границы раздела они экспоненциально затухают, из-за чего их очень сложно зарегистрировать и измерить. Ранее уже было показано, что информация, обеспечиваемая эванесцентными волнами, дает возможность тонко «очертить контуры» любого объекта, но метода, позволяющего их отделить от обычных отраженных звуковых волн, не существовало.
Швейцарские инженеры разработали особую камеру, состоящую из пяти кубических резонирующих отсеков, соединенных друг с другом небольшими окошками. Эти отсеки одновременно выполняют роль фильтра, конвертируя обычные звуковые волны в эванесцентные и усилителя, превращающего эванесцентные волны в обычные звуковые. Таким образом, на выходе, вместо стандартного акустического изображения можно получить как бы его «негатив» - не сами поверхности, а места их пересечения – грани и контуры (см. фото ниже).
За резонирующими отсеками закреплены четыре микрофона, улавливающие и передающие звуковые волны в специально разработанную компьютерную программу. Само устройство, вместе с генераторами звука крепится на портативного робота, который может двигаться вплотную к поверхности исследуемого объекта, тщательно сканируя его.
Ученые отмечают, что их подход совершенно новый и отличается от ранее использованных для преодоления, так называемого дифракционного предела (минимально возможной области фокусировки звуковых волн, после которой их длина начинает превышать ее размер, что приводит к отклонению и рассредоточению звука) – суперлинз, гиперлинз и метода временного реверса. Благодаря чему им удалось сократить время необходимое для получения изображений и увеличить их разрешение. Инженеры полагают, что новая разработка найдет применение в медицине и биологических исследованиях.