Группа исследователей из Университета Йонсей в Корее и Университета Хоккайдо в Японии разработала устройство с метаматериалом, которое позволяет слышать подводные звуки намного лучше, чем обычный перенос звука между водой и воздухом. В своей статье, опубликованной в Physical Review Letters, исследователи описывают свое устройство, как оно работает и как его нужно улучшить.
Как правило, почти невозможно слышать подводный звук с воздуха — то же самое верно в обратном порядке. Это связано с тем, что акустический импеданс* формирует звуковой барьер. Звуковые волны отскакивают от барьера, не проникая через него. В своих опытах исследователи применили к барьеру метаматериал (метаповерхность), который по существу служит туннелем между водой и воздухом, позволяя пропускать больше звуковых волн.
Мета-материальное устройство, построенное командой, состоит из цилиндрической металлической наружной оболочки, которая очень похожа на обод автомобильной шины. Он имеет ребристую сегментированную мембрану в центре и плавает на воде. Человек, находящийся над ним в воздухе, может слышать звуки из-под воды, которые обычно не слышны.
Как правило, только 0,1 или 0,2 процента звуковых волн могут проникать через водно-воздушный барьер, но при тестировании нового устройства исследователи обнаружили, что оно увеличило передачу звука до такой степени, что до 30 процентов звуковых волн прошли через барьер.
Устройство теоретически можно было бы использовать для общения между людьми в воде и над землей или для прослушивания морских существ, находящихся ниже уровня водной поверхности, но у этого устройства есть два основных недостатка, которые, вероятно, ограничивают его использование.
Во-первых, оно способно передавать только звуковые волны, которые возникают непосредственно под ним. Диагональные волны все еще не могут преодолеть барьер. Вторая проблема заключается в том, что оно работает только для определенного ограниченного диапазона частот — от примерно 600 до 800 Гц. Потенциально, обе проблемы могут быть решены путем построения массивов отдельных устройств, которые могли бы передавать разные частоты и покрывали бы большую площадь водной поверхности.
*Акусти́ческий импеда́нс — комплексное акустическое сопротивление среды
Больше информации: Eun Bok et al. Metasurface for Water-to-Air Sound Transmission, Physical Review Letters (2018). DOI: 10.1103/PhysRevLett.120.044302