Физики создали акустическую метаповерхность, которая преломляет звуковые волны практически без энергетических потерь, поворачивая их на угол до 80 градусов. Добиться этого удалось благодаря разработке специальной геометрии резонаторных ячеек с двухосной анизотропией, которая позволяет снизить долю рассеянных звуковых волн до 10 процентов, пишут ученые в Nature Communications.

Один из наиболее эффективных типов современных материалов для управления звуковыми волнами — это метаповерхности, состоящие из массива ячеек размером меньше длины волны с правильно подобранной геометрией полостей внутри каждой ячейки. Меняя геометрию ячеек, можно добиться нужных параметров при отражении звуковых волн от стенок резонаторов и благодаря этому изменять направление движения волн, фокусировать их, ограничивать их пропускание или менять частоту. При этом зачастую с помощью метаповерхностей удается управлять звуковыми волнами таким образом, как это было бы невозможно сделать с помощью классических акустооптических устройств.

Физики из США и Финляндии под руководством Стивена Каммера (Steven A. Cummer) разработали новый тип акустических метаповерхностей, которые при пропускании звуковых волн меняют направление их движения, при этом практически полностью подавляя их рассеяние. Каждая из ячеек метаповерхности состоит из четырех анизотропных полостей, которые выполняют функцию резонаторов для звуковых волн, и глубина которых постепенно уменьшается по ходу движения волны. Теоретические расчеты показали, что из-за характерной для предложенной геометрии двухосной анизотропии (полости резонаторов в поверхности направлены вдоль одной оси, а щели между ячейками — вдоль другой) использование такой поверхности может позволить преодолеть предел максимальной эффективности для подобных устройств, который связан с рассогласованностью между импедансами падающей и преломленной волн и определяется обобщенным законом Снеллиуса. 

Геометрия одного блока акустической метаповерхности. J. Li et al./ Nature Communications, 2018

Ученые отмечают, что разработанная ими геометрия не предполагает работы вблизи резонансной частоты, поэтому в метаматериале можно уменьшить размер элементов и снизить благодаря этому энергетические потери. Поскольку ширина ячеек, расстояние между ними и глубина резонаторов внутри каждой поверхности могли варьироваться, а постоянным оставались только ширина резонаторов и наличие градиента при уменьшении их глубины, то поиск наиболее эффективных геометрий проводился с помощью численного моделирования, после чего выбранная структура печаталась из пластика с помощью 3D-печати.

Напечатанный на 3D-принтере блок акустической бианизотропной поверхности. Junfei Li

Всего ученые получили метаповерхности трех различных геометрий, которые могли на разный угол (от 60 до 80 градусов) поворачивать звуковую волну, падающую на них под прямым углом. В каждой из поверхностей размер всех резонаторов был значительно меньше длины звуковой волны: например, физики использовали ячейки размером около 1 сантиметра для волн частотой 3 килогерца (это примерно в 10 раз меньше длины волны) и ячейки размером около 7 сантиметров для волн частотой 1,3 килогерца (в 4 раза меньше длины волны).

В результате с помощью полученных метаповерхностей удалось снизить долю рассеянных звуковых волн в каждом из трех случаев до уровня ниже 10 процентов (в отдельных случаях — даже ниже 5 процентов). Для сравнения, у традиционных метаповерхностей для преломления звуковых волн, основанных на обобщенном законе Снеллиуса, эффективность значительно ниже: от 35 процентов для угла поворота 80 градусов до 81 процента для угла поворота 60 градусов.

Карта распределения давлений при преломлении звуковых волн на разный угол с помощью разработанной метаповерхности (слева) или метаповерхности, эффективность которой ограничена обобщенным законом Снеллиуса (справа). J. Li et al./ Nature Communications, 2018

Карты распределения давлений при преломлении звуковой волны, полученные для общей картины поля численно (слева) и для поля рассеянного света экспериментально (справа). J. Li et al./ Nature Communications, 2018

Карты распределения энергии при преломлении звуковой волны, полученные для общей картины поля численно (слева) и для поля рассеянного света экспериментально (справа). J. Li et al./ Nature Communications, 2018

Ученые отмечают, что предложенные ими структуры акустических метаповерхностей можно использовать практически во всем диапазоне звуковых волн. В будущем авторы работы планируют приспособить их в том числе и для использования в подводных условиях, например, в качестве элементов гидролокационных устройств.

С помощью метаматериалов с градиентной структурой резонаторов физикам удается получать акустические устройства с разнообразными функциями: например, китайские ученые разработали акустический диод — канал, звук по которому может передаваться лишь в одном направлении. При этом использование резонаторов сложной геометрии — не единственный способ получения акустических метаповерхностей. В частности, для изменения частоты звуковой волны при отражении можно использовать поверхность, представляющую собой периодическую систему нелинейных вязко-упругих элементов.

автор: Александр Дубов