С помощью эксперимента по распространению акустических колебаний по микроканалу внутри жидкой пены (аналогичном классическому эксперименту Мельде для упругой струны) французские физики обнаружили необычный нелинейный режим колебаний, в котором образуются два участка с колебаниями разной амплитуды и частоты. Обнаруженное явление поможет более точно понять природу необычных акустических свойств пен, пишут ученые в Physical Review Letters.

Жидкие пены имеют очень сложную структуру, состоящую из воздушных пузырей, жидких пленок и микроканалов, которые образуются на стыке трех пленок. Для такой системы характерно наличие большого количества межфазных границ, поэтому гидродинамические свойства, в частности, зарождение и распространение волн, довольно сильно отличаются от того, что происходит на поверхности отельных жидких струй и капель. Это приводит к появлению и необычных акустических свойств, и в некоторых случаях пены ведут себя как акустические метаматериалы, подавляя часть распространяющихся через них звуковых волн.

A. Cohen et al./ Phys. Rev. Lett., 2017

Чтобы объяснить подобные необычные свойства пен, группа физиков из Университета Ниццы — Софии Антиполис под руководством Кристофа Рофаста (Christophe Raufaste) рассмотрела процесс распространения волны в отдельном микроканале внутри пены. Для этого ученые сделали рамку в виде треугольной призмы, на которой закреплялись три пленки мыльной воды (вода с поверхностно-активным веществом, коэффициент поверхностного натяжения которой составил 36 миллиньютонов на метр — примерно в два раза меньше, чем у воды). Эти пленки сходились в центре, образуя на центральной оси призмы тонкий жидкий микроканал. Один из концов микроканала авторы работы прикрепили к источнику поперечных колебаний, который совершал периодические вертикальные движения с частотой от 30 до 80 герц, а другой — к источнику жидкости, чтобы поддерживать постоянную толщину канала около 1 миллиметра. Такой эксперимент аналогичен эксперименту Мельде по возбуждению стоячих волн в упругих струнах с помощью возбуждения поперечных колебаний, только роль струны в нем выполняет жидкий микроканал.

Схема экспериментальной установки (а), фотография микроканала, по которому распространяется волна, (b) и зависимость частоты колебаний от волнового чиcла возбуждающих колебаний ©. A. Cohen et al./ Phys. Rev. Lett., 2017

Оказалось, что при распространении волны происходит уменьшение толщины канала, и при небольших амплитудах происходит формирование устойчивых регулярных колебаний, аналогичных стоячим волнам в упругой струне. При больших амплитудах происходит переход в нелинейный режим, и в канале образуется две зоны различной толщины, амплитуды и фазы колебаний. При этом диаметр двух участков микроканала отличался примерно в десять раз: вблизи источника колебаний он составлял 0,1 миллиметра, а с противоположной стороны — один миллиметр).

Для описания этого эффекта ученые предложили использовать аналог уравнения Бернулли, связывающий периодическую силу, возбуждающую колебания, с силой поверхностного натяжения, которая пытается их подавить. С помощью предложенной нелинейной модели удалось достаточно точно описать сделанные в эксперименте наблюдения.

Авторы работы отмечают, что этот эффект довольно необычный, и вероятно, он поможет объяснить свойства распространения звуковых волн в пене. В будущем знание механизмов распространения акустических колебаний может быть использовано, в частности, для получения материалов для подавления ударных волн.

Исследование акустических свойств в пенах является не единственным примером необычных акустических свойств тонких нитей и микроканалов в системах со сложной связанной структурой. Например, в паутинах физики обнаружили запрещенную фононную зону, которая не дает распространяться звуковым волнам определенной частоты.

Автор: Александр Дубов