Если вы попробуете нырнуть под воду и докричаться оттуда до кого-нибудь, стоящего на самом краю бассейна, то такая затея вряд ли закончится удачно. Это произойдет из-за того, что всего 0.1 процента от звуков, распространяющихся в водной среде, могут быть переданы в воздух. И помочь в этом деле сможет специализированное устройство на основе нового метаматериала, разработанного совместными усилиями ученых из Японии и Южной Кореи.
Эффект подавления звука при переходе границы между водой и воздухом является следствием весьма распространенного физического явления. Известно, к примеру, что количество света, отраженного на границе двух материалов, зависит от разницы в коэффициентах преломления этих материалов. По отношению к звуковым волнам у воздуха и воды имеется аналог коэффициента преломления, называемый акустическим импедансом (сопротивлением), из-за большой разницы в плотности, акустический импеданс воды в 3600 раз больше акустического импеданса воздуха. И это, в свою очередь, определяет то, что большая часть подводных звуков отражается назад на границе воды и воздуха.
Созданный учеными метаматериал представляет собой небольшой цилиндр с натянутой эластичной резиновой мембраной. Эта мембрана колеблется под воздействием подводных акустических волн, а поскольку вторая сторона мембраны находится в воздухе, то ее колебания заставляют колебаться и воздух. Проведенные учеными эксперименты показали, что использование такого метаматериала позволяет передать до 30 процентов подводных звуковых волн в воздушную среду.
Отметим, что на подобном принципе основано использование различного рода антиотражательных покрытий, просветленной оптики и т.п. Эти покрытия, толщина которых должна составлять четверть от длины волн рабочего диапазона, уменьшают количество отраженных волн. И если для работы в оптическом диапазоне достаточно покрытий, толщиной в сотни нанометров, то для работы в акустическом диапазоне толщина таких покрытий должна измеряться метрами.
Одной из самых больших проблем, которой "страдает" новый акустический метаматериал, является то, что он эффективно работает только по отношению к акустическим волнам, распространяющимся перпендикулярно к плоскости его поверхности, такие устройства неспособны транслировать подводный звук, источник которого смещен в сторону даже на незначительное расстояние. В лабораторных условиях проверка устройства осуществлялась внутри резервуара в форме трубы, в которой звук распространяется практически в одном направлении.
Второй проблемой метаматериала является очень узкий диапазон рабочих частот. Все остальные звуковые частоты, лежащие вне этого диапазона, отражаются от поверхности метаматериала также, как и от поверхности воды.
Однако, ученые настроены достаточно оптимистично и надеются в ближайшее время создать новый метаматериал, мембраны в котором будут иметь различные толщины и диаметры, и будут располагаться под различными углами к плоскости материала. Таким способом ученые попытаются решить сразу обе проблемы, речь о которых шла немного выше.
