Главная » Статьи » Пирамидки из метаматериала спрячут подводные объекты от акустических датчиков

Пирамидки из метаматериала спрячут подводные объекты от акустических датчиков

IOA

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.

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.

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. 

Александр Дубов