Метаматеріал дозволить почути підводні звуки в повітрі

Фізики з Японії та Південної Кореї розробили метаматеріал, який пропускає близько 30 відсотків енергії звукових хвиль, якщо помістити його на кордоні вода-повітря, в той час як зазвичай ця межа пропускає менше відсотка енергії звуку. Новий метаматеріал дозволить застосувати чутливі конденсаторні мікрофони для запису підводних звуків і значно збільшить якість таких записів.

Кордон вода-повітря дуже погано пропускає звук. Акустичний опір води в 3600 разів більший, ніж у повітря, а тому енергія звукової хвилі при проходженні через їх кордон зменшується майже на три порядки. Це легко перевірити самостійно, постукавши, наприклад, двома каменями на повітрі і під водою – якщо ви і почуєте, як каміння клацають при ударі в воді, звук до ваших вух дійде швидше через руки і тіло, ніж через воду і повітря.

З іншого боку, п’єзоелектричні мікрофони , які в основному використовують для запису підводних звуків, мають порівняно низьку чутливість. Чутливість – це відношення вихідної напруги мікрофона до тиску записується їм звуку; чим вона вища, тим більш тихі звуки може записати мікрофон, і тим менше буде ставлення шуму до корисного сигналу. Чутливість стандартного конденсаторного мікрофона майже в тисячу разів перевищує чутливість п’єзоелектричного. У той же час, якісний запис підводних звуків дуже важлива для морської біології, підводних комунікацій і систем позиціонування. Тому вчені шукають способи зменшити втрати енергії на кордоні вода-повітря, щоб повітряні мікрофони можна було застосувати для підводних досліджень.

Група фізиків під керівництвом Сема Лі (Sam Lee) нарешті знайшла спосіб значно знизити ці втрати. Якщо помістити виготовлений вченими метаматериал на кордоні вода-повітря, можна домогтися майже 160-кратного збільшення енергії пройшла хвилі – з часткою відсотка до третини від енергії падаючої хвилі. Метаматеріал складається з великого числа метаатомов, збудованих уздовж двовимірної поверхні і представляють собою пластикові циліндри ( АБС-пластик ). Усередині кожного циліндра знаходиться гумова мембрана товщиною приблизно 57 мікрометрів, в центрі якої закріплений шматочок епоксидної смоли масою близько 60 міліграм. Ще одна мембрана розділяє воду і повітря, так що шматочок смоли знаходиться в повітрі і може вільно коливатися.

схема метаатома

Виявляється, що акустичний імпеданс такого метаатома дуже цікаво залежить від частоти падаючої на нього звукової хвилі. акустичний імпеданс – це узагальнення акустичного опору, з його допомогою можна описувати не тільки вільні звукові хвилі, але і затухаючі (по суті, ця величина аналогічна комплексної діелектричної проникності в оптиці). Вільним хвилях відповідає дійсна частина імпедансу, загасаючим – комплексна. У порожнього циліндра, який розділяє воду і повітря, обидві частини акустичного імпедансу повільно зменшуються зі збільшенням довжини звукової хвилі. Однак при додаванні хитається маси все змінюється, і комплексна частина імпедансу різко падає практично до нуля для певних довжин хвиль, причому «резонансна» довжина прямо пропорційна відстані між масою і кордоном вода-повітря. Щоб якісно зрозуміти, чим викликане таке поведінка, фізики розглянули просту одновимірну модель (дивись малюнок).

Схема одновимірної моделі порожнього метаатома і результати розрахунків дійсної (суцільна лінія) та уявної (пунктирна) частин акустичного імпедансу 

Схема одновимірної моделі метаатома з мембраною і результати розрахунків дійсної (суцільна лінія) та уявної (пунктирна) частин акустичного імпедансу

Незважаючи на те, що в дійсності метаатом є не одновимірної, а тривимірною системою, веде він себе в цілому схоже. І експериментальні дані, і результати чисельних розрахунків на основі методу скінченних елементів (finite element modeling, FEM) стверджують, що на певній довжині хвилі відношення енергії пройшла і падаючої хвиль різко зростає. Якщо точніше, то приблизно третина енергії падаючої хвилі проходить в повітря, третина відбивається назад і ще третина розсіюється під час коливань мембрани. При відстані між мембранами близько 0,671 міліметра подібна поведінка спостерігалося на частоті звуку приблизно 707 герц (ця частота приблизно відповідає ноті фа другої октави).

Залежність звукових втрат в метаатомі від довжини хвилі. Точками відзначені експериментальні дані, лініями – дані чисельних розрахунків. Червоним підсвічені результати без мембрани, синім – з мембраною

На жаль, кожен метаатом так добре проводить звук тільки у вузькому діапазоні частот, близьких до резонансної частоти. Проте, автори статті вважають, що якщо зібрати метаматериал з метаатомов, налаштованих на різні частоти, можна домогтися збільшення провідності в більш широкому діапазоні. До того ж регулювати резонансну частоту метаатома порівняно легко – достатньо змінити відстань між мембранами.

У жовтні минулого року математики з Великобританії, США і Канади запропонували враховувати вплив гравітації на поширення низькочастотних підводних акустичних хвиль. Такі хвилі виникають, коли якесь важке тіло (наприклад, метеорит або літак) падає в океан. Тому запропонована математиками модель дозволяє з хорошою точністю встановити місце падіння подібних об’єктів – наприклад, вчені уточнили з її допомогою координати зниклого в березні 2014 року малайзійського Боїнга MH370. Розробка авторів нової статті дозволить вимірювати спектри акустичних хвиль ще точніше – отже, координати падіння об’єктів можна буде окреслити ще краще.