Метаповерхность повернула звуковую волну без потерь энергии
Физики создали акустическую метаповерхность, которая преломляет звуковые волны практически без энергетических потерь, поворачивая их на угол до 80 градусов. Добиться этого удалось благодаря разработке специальной геометрии резонаторных ячеек с двухосной анизотропией, которая позволяет снизить долю рассеянных звуковых волн до 10 процентов, пишут ученые в Nature Communications.
Один из наиболее эффективных типов современных материалов для управления звуковыми волнами — это метаповерхности, состоящие из массива ячеек размером меньше длины волны с правильно подобранной геометрией полостей внутри каждой ячейки. Меняя геометрию ячеек, можно добиться нужных параметров при отражении звуковых волн от стенок резонаторов и благодаря этому изменять направление движения волн, фокусировать их, ограничивать их пропускание или менять частоту. При этом зачастую с помощью метаповерхностей удается управлять звуковыми волнами таким образом, как это было бы невозможно сделать с помощью классических акустооптических устройств.
Физики из США и Финляндии под руководством Стивена Каммера (Steven A. Cummer) разработали новый тип акустических метаповерхностей, которые при пропускании звуковых волн меняют направление их движения, при этом практически полностью подавляя их рассеяние. Каждая из ячеек метаповерхности состоит из четырех анизотропных полостей, которые выполняют функцию резонаторов для звуковых волн, и глубина которых постепенно уменьшается по ходу движения волны. Теоретические расчеты показали, что из-за характерной для предложенной геометрии двухосной анизотропии (полости резонаторов в поверхности направлены вдоль одной оси, а щели между ячейками — вдоль другой) использование такой поверхности может позволить преодолеть предел максимальной эффективности для подобных устройств, который связан с рассогласованностью между импедансами падающей и преломленной волн и определяется обобщенным законом Снеллиуса.
Ученые отмечают, что разработанная ими геометрия не предполагает работы вблизи резонансной частоты, поэтому в метаматериале можно уменьшить размер элементов и снизить благодаря этому энергетические потери. Поскольку ширина ячеек, расстояние между ними и глубина резонаторов внутри каждой поверхности могли варьироваться, а постоянным оставались только ширина резонаторов и наличие градиента при уменьшении их глубины, то поиск наиболее эффективных геометрий проводился с помощью численного моделирования, после чего выбранная структура печаталась из пластика с помощью 3D-печати.
Всего ученые получили метаповерхности трех различных геометрий, которые могли на разный угол (от 60 до 80 градусов) поворачивать звуковую волну, падающую на них под прямым углом. В каждой из поверхностей размер всех резонаторов был значительно меньше длины звуковой волны: например, физики использовали ячейки размером около 1 сантиметра для волн частотой 3 килогерца (это примерно в 10 раз меньше длины волны) и ячейки размером около 7 сантиметров для волн частотой 1,3 килогерца (в 4 раза меньше длины волны).
В результате с помощью полученных метаповерхностей удалось снизить долю рассеянных звуковых волн в каждом из трех случаев до уровня ниже 10 процентов (в отдельных случаях — даже ниже 5 процентов). Для сравнения, у традиционных метаповерхностей для преломления звуковых волн, основанных на обобщенном законе Снеллиуса, эффективность значительно ниже: от 35 процентов для угла поворота 80 градусов до 81 процента для угла поворота 60 градусов.
Ученые отмечают, что предложенные ими структуры акустических метаповерхностей можно использовать практически во всем диапазоне звуковых волн. В будущем авторы работы планируют приспособить их в том числе и для использования в подводных условиях, например, в качестве элементов гидролокационных устройств.
С помощью метаматериалов с градиентной структурой резонаторов физикам удается получать акустические устройства с разнообразными функциями: например, китайские ученые разработали акустический диод — канал, звук по которому может передаваться лишь в одном направлении. При этом использование резонаторов сложной геометрии — не единственный способ получения акустических метаповерхностей. В частности, для изменения частоты звуковой волны при отражении можно использовать поверхность, представляющую собой периодическую систему нелинейных вязко-упругих элементов.
Александр Дубов
Это поможет добывать руду и обрабатывать ядерные отходы
Европейские физики теоретически и экспериментально исследовали цикличные процессы всплытия и опускания на дно зерен арахиса в пиве, который называют «танец арахиса». Для этого они в течение двух с половиной часов снимали на камеру этот процесс в лаборатории. Анализируя эти результаты, ученые выяснили, что танец происходит из-за поверхностных свойств арахиса, на которых образование пузырьков предпочтительнее, чем на стенках стакана. Исследование опубликовано в Royal Society Open Science. В России распространен фокус, который показывают на вечеринках с шампанским. Для этого в полный бокал игристого напитка бросают изюминку, кусочек ананаса или дольку шоколада. Брошенное в жидкость тело сначала тонет, но затем всплывает под действием пузырьков газа, зародившихся на его краях. У поверхности пузырьки разрушаются и цикл повторяется. В аргентинских барах существует такая же традиция, только вместо шампанского там используют пиво, а вместо изюма — арахис. Там этот трюк получил название «танец арахиса». Несмотря на качественное понимание такого танца, физики плохо понимают его детали. Вместе с тем, такие процессы происходят не только на вечеринках или в барах, но и в природе: предполагается, что именно так плотный магнетит всплывает в магме. Похожим же образом горняки отделяют железо от руды. Разобраться в этом вопросе решили Луис Перейра (Luiz Pereira) из Университета Людвига Максимилиана и его коллеги из Англии, Германии и Франции. Для этого они провели экспериментальны с арахисом в пиве и подтвердили их результаты численными вычислениями. Физики наполняли резервуар размером 100 × 100 × 200 миллиметров одним литром лагера и опускали в него 13 обжаренных зерен арахиса Arachis hypogaea. Весь процесс они снимали на цифровую камеру. На начальном этапе все зерна плавали на поверхности из-за активного образования пузырей в перенасыщенном углекислом газом пиве. Примерно через 25-30 минут количество пузырьков уменьшалось и арахис начинал цикличное движение вверх и вниз под действием описанного выше механизма. Танец всех зерен прекратился примерно через 150 минут после начала эксперимента — количество газа, растворенного в пиве, опустилось ниже пороговой отметки. Для анализа результатов эксперимента авторы разбили задачу на три части: зарождение пузырьков, плавучесть и цикличность. Для этого им потребовалось знать капиллярные свойства системы, такие как плотность пива и газа, поверхностное натяжение, углы смачивания и так далее. Первое они рассчитали с помощью пивного онлайн калькулятора, второй — взяли из литературы, а для получения информации об углах ученым потребовалось провести дополнительные эксперименты по смачиванию пива стеклом и плоской частью арахиса. В результате физики смогли воспроизвести основные особенности поведения арахиса в пиве, которые они увидели в эксперименте. Так, они доказали, что арахис обладает поверхностью, на которой образование пузырей энергетически более выгодно, чем на стенках стакана. Если бы это было не так, танец арахиса был бы невозможен. Ученые отмечают, что арахис в пиве может служить модельной системой не только для задач геологии и добычи полезных ископаемых, но и в обработке ядерных отходов. Один литр пива — это не так много, когда речь идет о физическом эксперименте (впрочем, не только). То ли дело 30 литров! Именно столько потратили физики из Германии и Кореи, изучая стабильностью пивной пены при розливе «снизу-вверх».