Метаматериал для невидимости под водой
Маскировочные устройства играют ключевую роль во многих научно-фантастических телевизионных программах. Ученые сейчас работают над тем, чтобы вывести эту технологию из области научной фантастики и сделать ее реальной. Аманда Д. Хэнфорд, из Университета штата Пенсильвания, предпринимает шаги, чтобы сделать акустические наземные плащи. Эти изделия перенаправляют приближающиеся волны вокруг объекта без рассеяния волновой энергии, скрывая объект от звуковых волн.
Во время 175-го заседания акустического общества Америки, которое состоялось 7-11 мая 2018 года в Миннеаполисе, штат Миннесота, Хэнфорд рассказала о физике подводного акустического щита, разработанного в ее лаборатории.
Хэнфорд и ее команда приступили к разработке метаматериала, который может позволить звуковым волнам изгибаться вокруг объекта, как будто его там не было. Метаматериалы обычно демонстрируют необычные свойства, не встречающиеся в природе, например, такие как отрицательная плотность. Чтобы работать, элементарная ячейка — наименьшая составляющая метаматериала — должна быть меньше, чем акустическая длина волны.
«Эти материалы звучат как совершенно абстрактная концепция, но математика показывает нам, что эти свойства возможны», — сказала Хэнфорд.
На сегодняшний день большинство акустических метаматериалов были разработаны для отклонения звуковых волн в воздухе. Хэнфорд решила продвинуть эту работу еще на один шаг вперед и принять научную задачу попробовать то же самое под водой. Акустическая маскировка под водой сложнее, потому что вода плотнее и менее сжимаема, чем воздух. Эти факторы ограничивают технические возможности.
После нескольких попыток команда разработала пирамиду высотой около одного метра из перфорированных стальных пластин. Затем они разместили конструкцию на полу большого подводного исследовательского резервуара. Внутри резервуара источник гидрофона производил акустические волны между 7000 Гц и 12 000 Гц, а несколько приемных гидрофонов вокруг резервуара контролировали отраженные акустические волны.
Волна, отраженная от метаматериала, соответствовала фазе отраженной волны от поверхности. Кроме того, амплитуда отраженной волны от скрытого объекта несколько уменьшилась. Эти результаты показывают, что этот материал может сделать объект невидимым для подводных инструментов, таких как сонар.
Используя линейное преобразование координат, исследователи смогли отобразить плоскую поверхность дна резервуара и определить, что пространство сжимается в две треугольные области маскировки, состоящие из спроектированного метаматериала.
Эти результаты показывают большой потенциал для внесения вклада в реальные приложения, такие как акустические материалы, чтобы ослабить звук и оказаться невидимым под водой.
Больше информации: «Underwater acoustic ground cloak development and demonstration,» by Peter Kerrian, Amanda Hanford, Benjamin Beck and Dean Capone, is at 10:45 a.m. CDT, May 10, 2018, in room Greenway C at the Hyatt Regency Minneapolis. acousticalsociety.org/asa-meetings/