Китайские физики разработали метаматериал, который может полностью спрятать объект под водой от акустических детекторов. В отличие от предыдущих конфигураций такого устройства, предложенная оболочка полностью замкнута и работает для всех возможных направлений звуковых волн. Она имеет форму восьмиугольной пирамиды и на данный момент позволяет сделать «неслышимыми» объекты высотой не более 7 сантиметров, пишут физики в статье в Applied Physics Letters.

Один из предполагаемых способов использования метаматериалов — создание оболочек, которые делают «невидимым» объекты, находящиеся внутри них. Например, оптические метаматериалы, которые работают за счет создания искусственных сред с отрицательным коэффициентом преломления, делают это за счет изменения картины электрического и магнитного полей, преобразуя их таким образом, что они становятся неотличимыми от полей при отсутствии объекта. Подробнее о принципах работы таких систем вы можете прочитать в нашем материале «Анатомия шапки-невидимки». В случае же с акустическими метаматериалами аналогичные преобразования происходят не с электромагнитными волнами, а со звуковыми: за счет управления движением звуковых волн в разных направлениях можно создать такую картину звуковых волн, которая была бы в случае отсутствия на поверхности какого-либо объекта.

В случае с акустическими материалами наиболее актуальна эта проблема для жидких сред. Например, в воде такие оболочки могут сделать объект неразличимым для ультразвуковых детекторов. В прошлом году китайским физикам под руководством Цзюня Яна (Jun Yang) из Института акустики Китайской академии наук удалось создать оболочку, которая делает объект «неслышимым» под водой, однако работала она только в двумерной конфигурации и при этом не покрывала объект со всех сторон. В своей новой работе эта группа ученых устранила и этот недостаток. Если в прошлой работе оболочка, делающая объекты под ней незаметными для детектирования с помощью ультразвука, имела форму незамкнутой призмы, то на этот раз ученые предложили делать ее в виде восьмиугольной пирамиды.

Фотография оболочки (слева) и схема ее структуры. Y. Bi et al./ Applied Physics Letters, 2018

Собранная авторами пирамидальная конструкция состояла примерно из 700 стальных прямоугольных в сечении полос с полостью внутри — материал подбирался таким образом, чтобы вся структура обладала нужными механическими свойствами и возможное колебание стенок не влияло на эффективность работы системы. Принцип работы оболочки остался таким же, как и в предыдущей работе: за счет зависимости плотности и модуля упругости материала от направления распространения акустической волны их удается перенаправлять нужным образом, — однако на этот раз ученым удалось найти такую геометрию, которая делает эти процессы возможными и для замкнутой геометрии.

Высота всей пирамиды составила 28,3 сантиметра, однако большая часть объема приходилась на сам метаматериал, который должен был менять направление звуковых волн. Высота непосредственно той области, в которой мог находиться объект, который было необходимо спрятать, составила всего 7 сантиметров. Длина основания пирамиды составила 35 сантиметров.

Чтобы показать, что предложенный подход работает, такую пирамиду поместили под пятиметровый слой воды и посмотрели, как она влияет на картину распределения давлений на расстоянии одного метра от вершины пирамиды при распространении по воде коротких акустических импульсов с частотой от 7 до 13 килогерц. Оказалось, что предложенная авторами геометрия — размер полос, наклон и толщина стенок пирамиды — действительно позволяет сделать распределение давление в жидкости при отражении от пирамиды неотличимым по форме от распределения при отражении от плоской поверхности на уровне основания пирамиды.

Картина распределения давления в жидкости на высоте одного метра над пирамидкой: при первом прохождении звуковой волны (a), и после отражения волны от мягкой плоскости (b), от неспрятанного объекта (с), и от объекта под оболочкой (d). Y. Bi et al./ Applied Physics Letters, 2018

Однако ученые отмечают, что амплитуда волн значительно снижается при использовании оболочки и соответствует скорее отражению не от твердой плоской поверхности, а от мягкой, при котором происходит заметная диссипация энергии.

Основными достоинствами предложенной конструкции авторы работы называют возможность работы в широком диапазоне частот, а также возможность спрятать объект от акустических волн, которые распространяются в любом направлении. Ученые отмечают, что полученные ими экспериментальные результаты позволяют говорить о возможном скором практическом использовании предложенной технологии.

Оболочки из метаматериалов позволяют не только «выключать» воздействие объектов на звуковое и электромагнитное поля, но и, например, подавлять гидродинамический след, который плывущие объекты оставляют за собой в жидкости. Так, американские физики разработали оболочку, которая за счет магнитогидродинамических эффектов позволяет полностью избавиться от всех возмущений потока при движении объекта в насыщенной ионами жидкости. 

Автор: Александр Дубов