Пірамідки з метаматеріалу сховають підводні об'єкти від акустичних датчиків

Китайські фізики розробили метаматеріал, який може повністю заховати об'єкт під водою від акустичних детекторів. На відміну від попередніх конфігурацій такого пристрою, запропонована оболонка повністю замкнута і працює для всіх можливих напрямків звукових хвиль. Вона має форму восьмикутної піраміди і на даний момент дозволяє зробити «нечуваними» об'єкти висотою не більше 7 сантиметрів, пишуть фізики в статті в.


Один з можливих способів використання метаматеріалів - створення оболонок, які роблять «невидимим» об'єкти, що знаходяться всередині них. Наприклад, оптичні метаматеріали, які працюють за рахунок створення штучних середовищ з негативним коефіцієнтом заломлення, роблять це за рахунок зміни картини електричного і магнітного полів, перетворюючи їх таким чином, що вони стають невідличними від полів при відсутності об'єкта. Детальніше про принципи роботи таких систем ви можете прочитати в нашому матеріалі «Анатомія шапки-невидимки». У випадку ж з акустичними метаматеріалами аналогічні перетворення відбуваються не з електромагнітними хвилями, а зі звуковими: за рахунок управління рухом звукових хвиль у різних напрямках можна створити таку картину звукових хвиль, яка була б у разі відсутності на поверхні будь-якого об'єкта.


У випадку з акустичними матеріалами найбільш актуальна ця проблема для рідких середовищ. Наприклад, у воді такі оболонки можуть зробити об'єкт непорушним для ультразвукових детекторів. Торік китайським фізикам під керівництвом Цзюня Яна (Jun Yang) з Інституту акустики Китайської академії наук вдалося створити оболонку, яка робить об'єкт «нечуваним» під водою, проте працювала вона тільки в почесній конфігурації і при цьому не покривала об'єкт з усіх боків. У своїй новій роботі ця група вчених усунула і цей недолік. Якщо в минулій роботі оболонка, що робить об'єкти під нею непомітними для детектування за допомогою ультразвуку, мала форму незамкнутої призми, то цього разу вчені запропонували робити її у вигляді восьмикутної піраміди.

Зібрана авторами пірамідальна конструкція складалася приблизно з 700 сталевих прямокутних у перетині смуг з порожниною всередині - матеріал підбирався таким чином, щоб вся структура мала потрібні механічні властивості і можливе коливання стінок не впливало на ефективність роботи системи. Принцип роботи оболонки залишився таким же, як і в попередній роботі: за рахунок залежності щільності і модуля пружності матеріалу від напрямку поширення акустичної хвилі їх вдається перенаправляти потрібним чином, - однак цього разу вченим вдалося знайти таку геометрію, яка робить ці процеси можливими і для замкнутої геометрії.

Висота всієї піраміди склала 28,3 сантиметра, проте більша частина обсягу припадала на сам метаматеріал, який повинен був змінювати напрямок звукових хвиль. Висота безпосередньо тієї області, в якій міг знаходитися об'єкт, який було необхідно сховати, склала всього 7 сантиметрів. Довжина основи піраміди склала 35 сантиметрів.

Щоб показати, що запропонований підхід працює, таку піраміду помістили під п'ятиметровий шар води і подивилися, як вона впливає на картину розподілу тисків на відстані одного метра від вершини піраміди при поширенні по воді коротких акустичних імпульсів з частотою від 7 до 13 кілогерць. Виявилося, що запропонована авторами геометрія - розмір смуг, нахил і товщина стінок піраміди - дійсно дозволяє зробити розподіл тиск в рідині при відбитті від піраміди невідособленим за формою від розподілу при відбитті від плоскої поверхні на рівні основи піраміди.

Однак вчені відзначають, що амплітуда хвиль значно знижується при використанні оболонки і відповідає швидше відображенню не від твердої плоскої поверхні, а від м'якої, при якому відбувається помітна дисипація енергії.

Основними достоїнствами запропонованої конструкції автори роботи називають можливість роботи в широкому діапазоні частот, а також можливість сховати об'єкт від акустичних хвиль, які поширюються в будь-якому напрямку. Вчені зазначають, що отримані ними експериментальні результати дозволяють говорити про можливе швидке практичне використання запропонованої технології.


Оболонки з метаматеріалів дозволяють не тільки «вимикати» вплив об'єктів на звукове і електромагнітне поля, але і, наприклад, придушувати гідродинамічний слід, який пливаючі об'єкти залишають за собою в рідині. Так, американські фізики розробили оболонку, яка за рахунок магнітогідродинамічних ефектів дозволяє повністю позбутися всіх обурень потоку при русі об'єкта в насиченій іонами рідині.

COM_SPPAGEBUILDER_NO_ITEMS_FOUND