Метаматериал позволит услышать подводные звуки в воздухе
Физики из Японии и Южной Кореи разработали метаматериал, который пропускает около 30 процентов энергии звуковых волн, если поместить его на границе вода-воздух, в то время как обычно эта граница пропускает менее процента энергии звука. Новый метаматериал позволит применить чувствительные конденсаторные микрофоны для записи подводных звуков и значительно увеличит качество таких записей. Статья опубликована в Physical Review Letters, кратко о ней сообщает Physics.
Граница вода-воздух очень плохо пропускает звук. Акустическое сопротивление воды в 3600 раз больше, чем у воздуха, а потому энергия звуковой волны при прохождении через их границу уменьшается почти на три порядка. Это легко проверить самостоятельно, постучав, например, двумя камнями на воздухе и под водой — если вы и услышите, как камни щелкают при ударе в воде, звук до ваших ушей дойдет скорее через руки и тело, чем через воду и воздух.
С другой стороны, пьезоэлектрические микрофоны, которые в основном используют для записи подводных звуков, имеют сравнительно низкую чувствительность. Чувствительность — это отношение выходного напряжения микрофона к давлению записываемого им звука; чем она выше, тем более тихие звуки может записать микрофон, и тем меньше будет отношение шума к полезному сигналу. Чувствительность стандартного конденсаторного микрофона почти в тысячу раз превышает чувствительность пьезоэлектрического. В то же время, качественная запись подводных звуков очень важна для морской биологии, подводных коммуникаций и систем позиционирования. Поэтому ученые ищут способы уменьшить потери энергии на границе вода-воздух, чтобы воздушные микрофоны можно было применить для подводных исследований.
Группа физиков под руководством Сэма Ли (Sam Lee) наконец нашла способ значительно снизить эти потери. Если поместить изготовленный учеными метаматериал на границе вода-воздух, можно добиться почти 160-кратного увеличения энергии прошедшей волны — с долей процента до трети от энергии падающей волны. Метаматериал состоит из большого числа метаатомов, выстроенных вдоль двумерной поверхности и представляющих собой пластиковые цилиндры (АБС-пластик). Внутри каждого цилиндра находится резиновая мембрана толщиной примерно 57 микрометров, в центре которой закреплен кусочек эпоксидной смолы массой около 60 миллиграмм. Еще одна мембрана разделяет воду и воздух, так что кусочек смолы находится в воздухе и может свободно колебаться.
Оказывается, что акустический импеданс такого метаатома очень интересно зависит от частоты падающей на него звуковой волны. Акустический импеданс — это обобщение акустического сопротивления, с его помощью можно описывать не только свободные звуковые волны, но и затухающие (в сущности, эта величина аналогична комплексной диэлектрической проницаемости в оптике). Свободным волнам отвечает действительная часть импеданса, затухающим — комплексная. У пустого цилиндра, который разделяет воду и воздух, обе части акустического импеданса медленно уменьшаются с увеличением длины звуковой волны. Однако при добавлении колеблющейся массы все меняется, и комплексная часть импеданса резко падает практически до нуля для определенных длин волн, причем «резонансная» длина прямо пропорциональна расстоянию между массой и границей вода-воздух. Чтобы качественно понять, чем вызвано такое поведение, физики рассмотрели простую одномерную модель (смотри рисунок).
Несмотря на то, что в действительности метаатом является не одномерной, а трехмерной системой, ведет он себя в целом похоже. И экспериментальные данные, и результаты численных расчетов на основе метода конечных элементов (finite element modeling, FEM) утверждают, что на определенной длине волны отношение энергии прошедшей и падающей волн резко возрастает. Если более точно, то примерно треть энергии падающей волны проходит в воздух, треть отражается обратно и еще треть рассеивается во время колебаний мембраны. При расстоянии между мембранами около 0,671 миллиметра подобное поведение наблюдалось на частоте звука примерно 707 герц (эта частота примерно отвечает ноте фа второй октавы).
К сожалению, каждый метаатом так хорошо проводит звук только в узком диапазоне частот, близких к резонансной частоте. Тем не менее, авторы статьи считают, что если собрать метаматериал из метаатомов, настроенных на разные частоты, можно добиться увеличения проводимости в более широком диапазоне. К тому же регулировать резонансную частоту метаатома сравнительно легко — достаточно изменить расстояние между мембранами.
В октябре прошлого года математики из Великобритании, США и Канады предложили учитывать влияние гравитации на распространение низкочастотных подводных акустических волн. Такие волны возникают, когда какое-то тяжелое тело (например, метеорит или самолет) падает в океан. Поэтому предложенная математиками модель позволяет с хорошей точностью установить место падения подобных объектов — например, ученые уточнили с ее помощью координаты пропавшего в марте 2014 года малайзийского Боинга MH370. Разработка авторов новой статьи позволит измерять спектры акустических волн еще точнее — следовательно, координаты падения объектов можно будет очертить еще лучше.
Дмитрий Трунин
Ее температура на прямом солнце оказалась до двух градусов ниже окружающего воздуха
Китайские ученые разработали многослойные цветные пленки, которые могут охлаждать поверхность до двух градусов Цельсия по сравнению с температурой окружающей среды. Высоко-насыщенный цвет этих пленок — до 100 процентов цветопередачи — виден в широком диапазоне углов (± 60 градусов). На создание такой структуры физиков вдохновили бабочки вида Morpho menelaus. Статья опубликована в журнале Optica. Большинство искусственно созданных красок работают из-за поглощения части диапазона видимого света, что может приводить к существенному нагреву окрашенных ими предметов. Чтобы предотвратить нежелательный нагрев часто используют белую краску, которая практически полностью отражает солнечную энергию. Создание разноцветных поверхностей, которые при этом не нагреваются — до сих пор сложная задача. Однако в природе встречается и другой способ цветовой передачи. Например у некоторых бабочек цвет крыльев возникает при возникновении интерференции из-за специфического отражения света от периодической структуры их крыльев. Ван Гопин (Guo Ping Wong) с коллегами из Шеньчжэньского университета предложили свое решение проблемы нагрева окрашенных поверхностей, как раз вдохновившись структурой крыльев бабочек M. menelaus. Благодаря многослойности и наличию неупорядоченных компонентов, крылья бабочек этого вида передают высокую насыщенность синего цвета в широком угле обзора. Ученые воссоздали аналогичную структуру, поместив нескольких слоев из оксидов титана TiO2 и кремния SiO2, на матовое стекло, расположенное на отражающей серебряной поверхности. Ученые оптимизировали толщину верхних слоев и добились полного отражения нежелательного желтого света. При этом синий свет свободно проникал через верхнюю многослойную структуру, испытывал диффузное отражение от неупорядоченного матового стекла, отражался от серебряного зеркала и, возвращаясь через верхнюю многослойную структуру, обеспечивал насыщенный синий цвет образца. В результате ученым удалось добиться высокой насыщенности синего цвета, до 100 процентов, в угле обзора ±60 градусов, за исключением узкого диапазона — зеркального по отношению к падающему свету — в котором отражался желтый цвет. При этом эта пленка обеспечила охлаждение до двух градусов Цельсия ниже температуры окружающей среды, что сравнимо с эффективностью бесцветной охлаждающей пленки на основе серебра и полидиметилсилоксана (ПДМС). Охлаждение образца происходило за счет высокой эффективности диффузного отражения синей части спектра, малого поглощения нежелательной части видимого спектра и ближнего инфракрасного излучения, а также из-за высокого излучения в среднем инфракрасном диапазоне. Ученые создали по той же технологии образцы различных цветов и экспериментально измерили их способность охлаждать поверхности, располагая их на крыше здания института и на автомобилях. Обычная синяя краска при температуре воздуха 27 градусов Цельсия и на прямом солнце нагревалась в этих экспериментах до примерно 70 градусов. А образцы новой пленки в тех же условиях продемонстрировали температуру поверхности до 45 градусов ниже. Авторы статьи подсчитали, что за обычный метеорологический год в Шеньчжене замена обычной синей краски на охлаждающую могла бы привести к сохранению около 1377 мегаджоулей на квадратный метр энергии, требующейся на охлаждение. Ученые полагают, что дальнейшая оптимизация структуры пленок, например замена серебра на многослойный диэлектрик, позволит еще больше увеличить охлаждающий эффект. Ученых не в первый раз привлекла способность неупорядоченных структур в природных объектах к охлаждению. Они хорошо рассеивают солнечный свет, что можно использовать, например, для предотвращения таяния льдов.