Физики теоретически описали акустическую метаповерхность, которая при отражении звуковой волны в два раза увеличивает ее частоту. Эта поверхность представляет из себя периодическую систему нелинейных вязко-упругих элементов и в будущем может использоваться для шумоизоляции или, наоборот, усиления, звуковых сигналов, пишут ученые в Journal of Applied Physics.

Метаматериалы, благодаря особенностям своей периодической структуры, могут довольно необычным образом взаимодействовать с падающим на их поверхность излучением — электромагнитным или акустическим. Изменяя геометрию и глубину отверстий, выступов или бороздок на поверхности материала, либо определенным образом меняя ее механические свойства, можно добиться довольно необычных результатов: отрицательной диэлектрической или магнитной проницаемости, локализации волн в пространстве или их выборочного пропускания и отражения.

Физики из Франции и США под руководством Венсана Турна (Vincent Tournat) из Университета Ле-Мана теоретически описали такую акустическую метаповерхность, которая может контролируемо отражать акустические волны, изменяя при этом их частоту. По замыслу ученых, эта поверхность состоит из периодического набора нелинейных вязко-упругих элементов. Модель каждого из элементов поверхности можно описать в виде двух последовательно соединенных компонентов со структурой, аналогичной структуре Кельвина-Фойгта, которая используется для моделирования вязко-упругих материалов. Однако, в отличие от классической модели, эти элементы содержат нелинейные упругие компоненты: зависимость силы от деформации в них описывается не обычным законом Гука, а квадратичной связью. Суммарно архитектура каждого из элементов метаповерхности состоит из двух пружинок с нелинейной упругостью, двух вязких поршней и двух грузов различной массы. Для получения метаповерхности такие элементы собираются в общий периодический массив и закрепляются между твердой стенкой и средой, по которой распространяется акустическая волна.

Схема одного нелинейного вязко-упругого элемента метаповерхности. X. Guo et al./ Journal of Applied Physics, 2018

С помощью теоретического анализа и численных оценок ученые оценили, как меняется частота монохроматической звуковой волны при ее отражении от такой поверхности. Оказалось, что если правильно подобрать параметры этой системы: коэффициенты упругости, параметр нелинейности упругой системы, вязкость жидкости и массы грузов, — то за счет смещения резонансной частоты можно добиться того, что волна той же длины волны, что и падающая, отражаться практически не будет, зато при этом будет повышаться энергия отраженной второй гармоники — звуковой волны вдвое большей частоты. Минимальная амплитуда отраженной волны той же частоты составила пять процентов от падающей, при этом амплитуда отраженной второй гармоники поднималась до 46 процентов от амплитуды падающей волны.

Спектрограмма и колебательный сигнал падающей (слева) и отраженной (справа) звуковой волны. X. Guo et al./ Journal of Applied Physics, 2018

Кроме исследования отражения монохроматических звуковых волн, ученые также численно оценили рабочий частотный диапазон, в котором будет работать такая поверхность, связав частоту с параметрами поверхности. Авторы работы отмечают, что разработанные ими поверхности могут использоваться, например, для шумоизоляции, потому что позволяют эффективно отсекать звуковые волны низких частот, а также для усиления или фокусировки звука.

Использование акустических метаматериалов становится все более популярным для управления распространением звуковых волн. Например, один из таких материалов позволил в 160 раз увеличить энергию акустической волны, которая проходит через поверхность вода-воздух.

Автор: Александр Дубов