Метаповерхність повернула звукову хвилю без втрат енергії

Фізики створили акустичну метаповерхність, яка ламає звукові хвилі практично без енергетичних втрат, повертаючи їх на кут до 80 градусів. Домогтися цього вдалося завдяки розробці спеціальної геометрії резонаторних осередків з двосною анізотропією, яка дозволяє знизити частку розсіяних звукових хвиль до 10 відсотків, пишуть вчені в.


Один з найбільш ефективних типів сучасних матеріалів для управління звуковими хвилями - це метаповерхності, що складаються з масиву комірок розміром менше довжини хвилі з правильно підібраною геометрією порожнин всередині кожної комірки. Змінюючи геометрію комірок, можна досягти потрібних параметрів при відображенні звукових хвиль від стінок резонаторів і завдяки цьому змінювати напрямок руху хвиль, фокусувати їх, обмежувати їх пропускання або змінювати частоту. При цьому часто за допомогою метаповерхностей вдається керувати звуковими хвилями таким чином, як це було б неможливо зробити за допомогою класичних акустооптичних пристроїв.


Фізики з США і Фінляндії під керівництвом Стівена Каммера (Steven A. Cummer) розробили новий тип акустичних метаповерхностей, які при пропусканні звукових хвиль змінюють напрямок їх руху, при цьому практично повністю пригнічуючи їх розсіювання. Кожна з комірок метаповерхності складається з чотирьох анізотропних порожнин, які виконують функцію резонаторів для звукових хвиль, і глибина яких поступово зменшується по ходу руху хвилі. Теоретичні розрахунки показали, що через характерну для запропонованої геометрії двосну анізотропію (порожнини резонаторів у поверхні спрямовані вздовж однієї осі, а щілини між комірками - вздовж іншої) використання такої поверхні може дозволити подолати межу максимальної ефективності для подібних пристроїв, яка пов'язана з розузгодженістю між імпедансами падаючої і переломленої хвиль і визначається узагальним законом Снелліуса.

Вчені відзначають, що розроблена ними геометрія не передбачає роботи поблизу резонансної частоти, тому в метаматеріалі можна зменшити розмір елементів і знизити завдяки цьому енергетичні втрати. Оскільки ширина комірок, відстань між ними і глибина резонаторів всередині кожної поверхні могли варіюватися, а постійним залишалися тільки ширина резонаторів і наявність градієнта при зменшенні їх глибини, то пошук найбільш ефективних геометрій проводився за допомогою чисельного моделювання, після чого обрана структура друкувалася з пластику за допомогою 3D-друку.

Всього вчені отримали метаповерхності трьох різних геометрій, які могли на різний кут (від 60 до 80 градусів) повертати звукову хвилю, що падає на них під прямим кутом. У кожній з поверхонь розмір усіх резонаторів був значно меншим від довжини звукової хвилі: наприклад, фізики використовували комірки розміром близько 1 сантиметра для хвиль частотою 3 кілогерці (це приблизно в 10 разів менше довжини хвилі) і комірки розміром близько 7 сантиметрів для хвиль частотою 1,3 кілогерця (в 4 рази менше довжини хвилі).

У результаті за допомогою отриманих метаповерхностей вдалося знизити частку розсіяних звукових хвиль у кожному з трьох випадків до рівня нижче 10 відсотків (в окремих випадках - навіть нижче 5 відсотків). Для порівняння, у традиційних метаповерхностей для заломлення звукових хвиль, заснованих на узагальненому законі Снелліуса, ефективність значно нижча: від 35 відсотків для кута повороту 80 градусів до 81 відсотка для кута повороту 60 градусів.

Вчені відзначають, що запропоновані ними структури акустичних метаповерхностей можна використовувати практично в усьому діапазоні звукових хвиль. У майбутньому автори роботи планують пристосувати їх у тому числі і для використання в підводних умовах, наприклад, як елементи гідролокаційних пристроїв.

За допомогою метаматеріалів з градієнтною структурою резонаторів фізикам вдається отримувати акустичні пристрої з різноманітними функціями: наприклад, китайські вчені розробили акустичний діод - канал, звук по якому може передаватися лише в одному напрямку. При цьому використання резонаторів складної геометрії - не єдиний спосіб отримання акустичних метаповерхностей. Зокрема, для зміни частоти звукової хвилі при відображенні можна використовувати поверхню, що являє собою періодичну систему нелінійних в'язко-пружних елементів.


COM_SPPAGEBUILDER_NO_ITEMS_FOUND