Mezinárodní tým vědců vyvinul aplikaci VelCrys, která umožňuje počítat a vizualizovat šíření akustických vln v krystalech i vliv magnetického pole na jejich rychlost. Nástroj může pomoci při vývoji nových senzorů, magnetoakustických materiálů nebo ultrazvukových technologií. Na vývoji se podíleli odborníci z IT4Innovations při VŠB – Technické univerzitě Ostrava.

Když se zvuk šíří běžným prostředím, například vzduchem nebo vodou, jeho vlastnosti lze popsat poměrně jednoduuše. U krystalů je ale situace výrazně složitější. Jejich vnitřní struktura způsobuje, že se akustické vlny šíří různou rychlostí v různých směrech. Tento jev, označovaný jako anizotropie, hraje důležitou roli například v geofyzice, materiálovém výzkumu nebo při vývoji senzorů.

Právě na tento problém se zaměřil mezinárodní tým vědců z České republiky a Španělska, který vytvořil open source software VelCrys. Program dokáže vypočítat rychlost akustických vln v krystalech a zobrazit ji pomocí trojrozměrných map. Současně umožňuje simulovat, jak šíření zvuku ovlivňuje vnější magnetické pole. Autoři při vývoji využili analytické modely pro výpočet šíření zvuku v anizotropních materiálech a propojili je s teorií magnetoelastických jevů, tedy interakcí mezi magnetismem a mechanickou deformací materiálu.

V krystalech vznikají tři základní typy akustických vln – jedna kvazipodélná a dvě kvazipříčné. Každá z nich se může šířit jinou rychlostí podle orientace krystalu. VelCrys proto vytváří trojrozměrné „mapy rychlosti“, které ukazují, jak se rychlost zvuku mění v závislosti na směru šíření.

Jednou z hlavních funkcí programu je simulace vlivu magnetického pole na šíření zvuku v magnetostrikčních materiálech. Jde o materiály, které při působení magnetického pole mění své mechanické vlastnosti nebo rozměry. Tento jev byl poprvé popsán už v roce 1958 a je označován jako Simonův efekt. VelCrys umožňuje tyto změny počítat pro různé směry šíření vln i orientace magnetického pole.

Funkčnost programu ověřili vědci z Universidad de Oviedo, Catalan Institute of Nanoscience and Nanotechnology a IT4Innovations, konkrétně Dominik Legut a Ievgeniia Korniienko z Laboratoře modelování pro nanotechnologie, na několika materiálech. Jedním z nich byl suchý pískovec, u kterého VelCrys reprodukoval dříve publikované výsledky šíření akustických vln. Dalším příkladem byla slitina kobaltu a platiny využívaná v magnetických aplikacích a nanotechnologiích. Výsledky simulací zde odpovídaly experimentálním měřením i teoretickým modelům. Výzkumníci testovali také kobalt v hexagonální struktuře, u něhož program zachytil změny rychlosti související s působením magnetického pole.

VelCrys je dostupný jako webová aplikace i open source Python modul. Software využívá framework Dash, knihovnu Plotly pro 3D vizualizace a pro některé numerické výpočty knihovnu NumPy. Autoři předpokládají, že nástroj najde využití při vývoji akustických senzorů, magnetických pamětí nebo zařízení využívajících povrchové akustické vlny.

Výzkumný tým připravuje novou verzi programu, která rozšíří podporu dalších typů krystalových symetrií a pokročilejších magnetických korekcí. První verze VelCrys byla publikována v odborném časopise SoftwareX vydavatelství Elsevier.

 

Odborný článek
VelCrys: Interactive web-based application to compute acoustic wave velocity in crystals and its magnetic corrections
https://doi.org/10.1016/j.softx.2025.102472

 

Obrázek*: Vizualizace změn rychlosti šíření tří typů akustických vln (kvazipodélná qP, a dvě kvazipříčné – qS1 a qS2) v závislosti na směru šíření při působení magnetického pole –v kubickém krystalu slitiny kobaltu a platiny. Vytvořeno v programu VelCrys.

 

* Ilustrační obrázek převzat z článku: Nieves, P., Korniienko, I., Fraile, A., Fernández-Díaz, J. M., Iglesias, R., & Legut, D. (2026). VelCrys: Interactive web-based application to compute acoustic wave velocity in crystals and its magnetic corrections. SoftwareX, 33, 102472. https://doi.org/10.1016/j.softx.2025.102472, Fig. 5.