Как заставить звук проходить сквозь стены: новый материал направляет сигнал изнутри, оставаясь невидимым для внешних волн

Управление звуком всегда опиралось на создание физических преград. Звук это механическая волна, чередование зон высокого и низкого давления, которое распространяется в пространстве. Чтобы направить этот волновой процесс в нужную точку и не дать ему рассеяться, инженеры традиционно используют волноводы — трубы, шахты или каналы с плотными стенками. Жесткая граница отражает волну внутрь, сохраняя энергию сигнала.

Однако наличие плотной границы создает непреодолимую проблему для любых других звуковых волн в этой же среде. Если стенка канала достаточно твердая, чтобы удерживать звук внутри себя, она неизбежно станет барьером для звука, идущего снаружи. Внешняя волна столкнется с трубой и отразится от нее, создав искажения и акустическую тень. Долгое время в физике считалось, что создать канал, который будет одновременно направлять внутренний сигнал и оставаться абсолютно прозрачным для внешних воздействий, невозможно. Это противоречит базовым свойствам материалов.

Группа исследователей из Нанкинского университета опубликовала в научном журнале Physical Review Letters работу, которая решает эту проблему. Инженеры спроектировали специализированную структуру — акустический метаматериал, который ведет себя принципиально по-разному в зависимости от того, с какой стороны в него проникает звук. Для сигнала, идущего вдоль продольной оси, этот материал работает как идеальный закрытый канал. Но для волн, падающих на его боковые поверхности, он полностью прозрачен и не вызывает отражений.

Чтобы понять, как исследователям удалось совместить два взаимоисключающих свойства в одном физическом объекте, необходимо рассмотреть концепцию так называемых сред с «двойным нулем» и принципы акустического сопротивления.

Когда звуковая волна переходит из одной среды в другую — например, из воздуха в пластик или из воды в металл, — часть энергии всегда отражается обратно. Это происходит из-за разницы в акустическом сопротивлении, или импедансе. Импеданс зависит от плотности материала и его способности сжиматься. Чтобы граница была невидимой для звука, импеданс объекта должен в точности совпадать с импедансом окружающей среды. В обычных условиях объект с плотностью воздуха не может выступать в роли жесткой направляющей трубы.

Инженеры обошли это ограничение, отказавшись от поиска новых химических составов. Вместо этого они изменили внутреннюю геометрию материала. Разработанный ими метаматериал представляет собой плоскую решетку, состоящую из квадратных блоков твердого пластика. Внутри каждого блока вырезаны сложные воздушные лабиринты — каналы, свернутые в спираль. Размеры этих лабиринтов строго рассчитаны математически. Звуковая волна, проходя через такую решетку, взаимодействует не столько с самим пластиком, сколько с формой пустот.

За счет сложной геометрии каналов физики смогли добиться состояния «двойного нуля» для волн, распространяющихся вдоль одной оси (допустим, оси X). В этом состоянии эффективная масса среды и ее сжимаемость с точки зрения проходящего звука стремятся к нулевым значениям. Волна внутри такой среды не меняет свою фазу. Она проходит от входа к выходу без потери энергии, жестко запертая в невидимых границах.

Сложность заключалась в том, что материалы с «двойным нулем» крайне чувствительны к углу падения звука. Если направить волну в бок такой структуры, она столкнется с колоссальным перепадом импеданса и полностью отразится.

Для решения этой проблемы ученые применили принцип топологической изоляции и особый вид геометрической компоновки — скользящую симметрию. Решетка была выстроена таким образом, что ее элементы повторяют друг друга не напрямую, а со смещением на половину шага и зеркальным отражением. Затем инженеры намеренно нарушили симметрию решетки вдоль одной из осей, слегка изменив расстояние между элементами.

Это небольшое пространственное искажение привело к кардинальным изменениям в физике процесса. Характеристики метаматериала расщепились. Структура перестала быть одинаковой для разных направлений.

Для звука, который подается во фронтальную плоскость решетки, материал продолжает работать как среда с «двойным нулем» — он удерживает сигнал внутри себя, не позволяя ему вырваться через боковые стороны. Но для звука, который направлен перпендикулярно, в боковую грань решетки, форма спиральных каналов создает акустическое сопротивление, идентичное сопротивлению обычного воздуха.

В результате внешняя волна проходит сквозь массивную пластиковую конструкцию, не замечая ее. Более того, два звуковых потока — продольный и поперечный — пересекаются внутри решетки, но не интерферируют. Они не смешиваются и не искажают друг друга, так как используют разные физические механизмы распространения внутри одного и того же пространства.

Исследователи подтвердили свои расчеты в серии строгих лабораторных тестов. Они напечатали образец метаматериала размером в несколько десятков сантиметров и поместили его в акустическую установку. По бокам от структуры расположили массив динамиков. Один источник звука формировал широкую плоскую волну, идущую вдоль продольной оси. Второй источник генерировал узкий направленный пучок звука, бьющий точно в боковую стенку. Микрофоны, установленные на моторизованной платформе, сканировали звуковое поле вокруг и внутри объекта с шагом в десять миллиметров.

Данные сканирования полностью подтвердили теоретическую модель. Плоская волна прошла сквозь структуру с высокой эффективностью передачи и сохранила ровный волновой фронт. Боковой узкий пучок пронзил материал насквозь, сохранив свою форму и цилиндрическое расхождение, характерное для свободного пространства. Никаких следов акустической тени или паразитного рассеивания датчики не зафиксировали.

Разработанная концепция имеет огромное практическое значение для современных технологий, работающих с волновыми процессами. Традиционная инженерия всегда требует компромиссов при компоновке акустических систем. Например, в гидролокации элементы корпуса подводных аппаратов неизбежно перекрывают углы обзора для сонаров. В медицинском ультразвуковом оборудовании датчики могут мешать друг другу, создавая артефакты на изображениях. Сложные системы промышленной дефектоскопии и архитектурной акустики страдают от невозможности проложить независимые звуковые каналы в ограниченном объеме.

Предложенный китайскими учеными подход позволяет осуществлять акустическое мультиплексирование — передачу нескольких независимых сигналов в одном физическом пространстве без использования экранирующих перегородок. Метаматериал дает возможность прокладывать изолированные маршруты для звука прямо сквозь рабочую зону других акустических систем. В будущем принципы геометрического управления волновым сопротивлением, изложенные в данной работе, могут быть адаптированы не только для звуковых, но и для электромагнитных волн, что откроет новые возможности в проектировании антенн и систем оптической связи.

Источник:Physical Review Letters