Новая разработка в области метаматериалов устраняет ключевой недостаток традиционных акустических волноводов — рассеивание внешних звуковых волн. Инновационная структура обеспечивает идеальную передачу внутри канала и в то же время остается «невидимой» для звука снаружи.
Традиционные акустические волноводы функционируют, удерживая звук внутри канала при помощи отражающих границ. Такую систему можно создать даже из простой полой трубы, но проблема заключается в том, что отражающие стенки неизбежно взаимодействуют с любыми звуковыми волнами, приходящими в трубу не только через ее концы, но и снаружи. Внешние волны рассеиваются на жестких стенках, что вызывает серьезные проблемы в технологиях, где множество сигнальных каналов должны сосуществовать в непосредственной близости, не мешая друг другу.
Решением данной проблемы может стать использование метаматериалов. Эти искусственные структуры с повторяющимися элементами, размеры которых меньше длины волн, способны демонстрировать свойства, недоступные обычным материалам. Тщательная настройка их геометрии позволяет достичь акустических характеристик, которые невозможно создать в природных веществах.
Особый интерес представляет эффект «нулевого показателя преломления», при котором эффективный коэффициент преломления на определенной частоте становится равным нулю. Это приводит к тому, что акустическая длина волны становится бесконечно большой, обеспечивая почти идеальную передачу сигнала.
Группа исследователей под руководством Чанцин Сюй из Нанкинского педагогического университета в Китае разработала двумерный массив напечатанных на 3D-принтере элементарных ячеек. Каждая из них содержала две воздушные полости, соединенные сложными спиральными каналами, которые замедляют поток воздуха и позволяют достигать эффекта нулевого показателя преломления в компактной структуре. Настраивая геометрию этих элементов, разработчики согласовали импеданс метаматериала с открытым воздухом, что позволило внешним волнам вообще не встречать отражающих границ.
В экспериментах на рабочей частоте 2,8 килогерца ученые продемонстрировали оба аспекта эффекта туннеля-призрака. Когда звук вводился в устье туннеля, он проходил через него с почти идеальной точностью, оставаясь плотно ограниченным внутри канала. Однако, когда отдельную звуковую волну направляли на боковую сторону структуры, она проходила сквозь нее, выходя неизменной с другой стороны, как будто туннеля там вовсе не существовало.
Авторы надеются, что их разработка сможет изменить проектирование гидролокационных систем и акустических схем, где постоянной проблемой для инженеров является управление перекрестными помехами между сигналами. Кроме того, исследователи предполагают, что базовые принципы разработки могут быть применены к другим волновым явлениям, включая электромагнитные и даже электронные системы.
Фото: hi-tech.mail.ru