Физики из Японии и Южной Кореи разработали метаматериал, который пропускает около 30 процентов энергии звуковых волн, если поместить его на границе вода-воздух, в то время как обычно эта граница пропускает менее процента энергии звука. Новый метаматериал позволит применить чувствительные конденсаторные микрофоны для записи подводных звуков и значительно увеличит качество таких записей. Статья опубликована в Physical Review Letters, кратко о ней сообщает Physics.

Граница вода-воздух очень плохо пропускает звук. Акустическое сопротивление воды в 3600 раз больше, чем у воздуха, а потому энергия звуковой волны при прохождении через их границу уменьшается почти на три порядка. Это легко проверить самостоятельно, постучав, например, двумя камнями на воздухе и под водой — если вы и услышите, как камни щелкают при ударе в воде, звук до ваших ушей дойдет скорее через руки и тело, чем через воду и воздух.

С другой стороны, пьезоэлектрические микрофоны, которые в основном используют для записи подводных звуков, имеют сравнительно низкую чувствительность. Чувствительность — это отношение выходного напряжения микрофона к давлению записываемого им звука; чем она выше, тем более тихие звуки может записать микрофон, и тем меньше будет отношение шума к полезному сигналу. Чувствительность стандартного конденсаторного микрофона почти в тысячу раз превышает чувствительность пьезоэлектрического. В то же время, качественная запись подводных звуков очень важна для морской биологии, подводных коммуникаций и систем позиционирования. Поэтому ученые ищут способы уменьшить потери энергии на границе вода-воздух, чтобы воздушные микрофоны можно было применить для подводных исследований.

Группа физиков под руководством Сэма Ли (Sam Lee) наконец нашла способ значительно снизить эти потери. Если поместить изготовленный учеными метаматериал на границе вода-воздух, можно добиться почти 160-кратного увеличения энергии прошедшей волны — с долей процента до трети от энергии падающей волны. Метаматериал состоит из большого числа метаатомов, выстроенных вдоль двумерной поверхности и представляющих собой пластиковые цилиндры (АБС-пластик). Внутри каждого цилиндра находится резиновая мембрана толщиной примерно 57 микрометров, в центре которой закреплен кусочек эпоксидной смолы массой около 60 миллиграмм. Еще одна мембрана разделяет воду и воздух, так что кусочек смолы находится в воздухе и может свободно колебаться.

Схема метаатома. Eun Bok et al. / Phys. Rev. Lett.

Оказывается, что акустический импеданс такого метаатома очень интересно зависит от частоты падающей на него звуковой волны. Акустический импеданс — это обобщение акустического сопротивления, с его помощью можно описывать не только свободные звуковые волны, но и затухающие (в сущности, эта величина аналогична комплексной диэлектрической проницаемости в оптике). Свободным волнам отвечает действительная часть импеданса, затухающим — комплексная. У пустого цилиндра, который разделяет воду и воздух, обе части акустического импеданса медленно уменьшаются с увеличением длины звуковой волны. Однако при добавлении колеблющейся массы все меняется, и комплексная часть импеданса резко падает практически до нуля для определенных длин волн, причем «резонансная» длина прямо пропорциональна расстоянию между массой и границей вода-воздух. Чтобы качественно понять, чем вызвано такое поведение, физики рассмотрели простую одномерную модель (смотри рисунок).

Схема одномерной модели пустого метаатома и результаты расчетов действительной (сплошная линия) и мнимой (пунктирная) частей акустического импеданса. Eun Bok et al. / Phys. Rev. Lett.
.[image]

Схема одномерной модели метаатома с мембраной и результаты расчетов действительной (сплошная линия) и мнимой (пунктирная) частей акустического импеданса. Eun Bok et al. / Phys. Rev. Lett.
.[image]

Несмотря на то, что в действительности метаатом является не одномерной, а трехмерной системой, ведет он себя в целом похоже. И экспериментальные данные, и результаты численных расчетов на основе метода конечных элементов (finite element modeling, FEM) утверждают, что на определенной длине волны отношение энергии прошедшей и падающей волн резко возрастает. Если более точно, то примерно треть энергии падающей волны проходит в воздух, треть отражается обратно и еще треть рассеивается во время колебаний мембраны. При расстоянии между мембранами около 0,671 миллиметра подобное поведение наблюдалось на частоте звука примерно 707 герц (эта частота примерно отвечает ноте фа второй октавы).

Зависимость звуковых потерь в метаатоме от длины волны. Точками отмечены экспериментальные данные, линиями — данные численных расчетов. Красным подсвечены результаты без мембраны, синим — с мембраной. Eun Bok et al. / Phys. Rev. Lett.

К сожалению, каждый метаатом так хорошо проводит звук только в узком диапазоне частот, близких к резонансной частоте. Тем не менее, авторы статьи считают, что если собрать метаматериал из метаатомов, настроенных на разные частоты, можно добиться увеличения проводимости в более широком диапазоне. К тому же регулировать резонансную частоту метаатома сравнительно легко — достаточно изменить расстояние между мембранами.

В октябре прошлого года математики из Великобритании, США и Канады предложили учитывать влияние гравитации на распространение низкочастотных подводных акустических волн. Такие волны возникают, когда какое-то тяжелое тело (например, метеорит или самолет) падает в океан. Поэтому предложенная математиками модель позволяет с хорошей точностью установить место падения подобных объектов — например, ученые уточнили с ее помощью координаты пропавшего в марте 2014 года малайзийского Боинга MH370. Разработка авторов новой статьи позволит измерять спектры акустических волн еще точнее — следовательно, координаты падения объектов можно будет очертить еще лучше.

Автор: Дмитрий Трунин