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.