Японцы спроектировали шапку-неслышимку из свинцовых и резиновых стержней

Японские физики спроектировали всенаправленную шапку-неслышимку для цилиндрического объекта в воздухе. Она представляет собой несколько слоев свинцовых стержней, покрытых оболочкой из силиконовой резины. Симуляции показали, что такая структура более чем в 13 раз снижает рассеяние объектом звука за счет локальных резонансов в стержнях, хотя вязкость материалов может снизить эффект. Исследование опубликовано в Scientific Reports.

Невидимость — это способность, которую часто можно встретить в научной фантастике или фэнтези, однако она долгое время остается объектом научного интереса со стороны физиков. В узком смысле невидимость понимается, как свойство объекта оставаться скрытым для человеческого зрения. В широком же смысле ее определение может относиться к произвольному электромагнитному диапазону (например, самолеты-невидимки малозаметны в радиодиапазоне), и даже к звуку.

Существует несколько принципов, на основе которых физики пытаются реализовать невидимость. Один из них основан на огибании волнами препятствий с помощью метаматериалов с отрицательным показателем преломления (подробнее об этом читайте в материале «Анатомия шапки-невидимки»). Другой способ опирается на подавление рассеяния объектом, поскольку мы видим что-то только тогда, когда оно отражает или рассеивает падающий на него свет. Точно также работает эхолокация, помогающая ориентироваться в пространстве животным, роботам и даже человеку.

Чтобы создать акустическую невидимость или неслышимость, целесообразнее проектировать геометрию камуфляжного слоя, нежели использовать материалы с экстремальными звукопроводящими свойствами. Таким способом удалось недавно создать шапку-неслышимку на основе осесимметричных цилиндрических решеток с оптимизированными радиусами и положениями, прячущую объект со всех сторон эхолокации. Эффект возникал благодаря брэгговскому подавлению рассеяния, что, однако, требовало, чтобы размер камуфляжа был существенно больше длины волны.

Группа физиков из Токийского университета под руководством Такаюки Ямада (Takayuki Yamada) решила исправить этот недостаток, спроектировав акустический камуфляж с использованием резонансов, возникающих в его отдельных элементах. В своей работе они решали двумерную задачу по сокрытию жесткого цилиндрического объекта некоторого радиуса, расположенного в воздухе. Чтобы сделать его неслышимым, физики предложили окружать его четырьмя слоями двухкомпонентных стержней по 14, 20, 28 и 34 штуки, соответственно (всего 96 стержней). Стержни представляли собой свинцовые жилы с оболочкой из силиконовой резины. Положения их центров были фиксированы, а радиусы жил и оболочек для каждого из защитных слоев (всего восемь параметров) стали объектом объектами оптимизации при минимизации сечения рассеяния монохроматического звука.

Для этого авторы моделировали прохождение плоских волн через структуру под различными углами, решая уравнения Гельмгольца совместно с уравнениями Навье в рамках метода многократного рассеяния. Проводить нелинейную оптимизацию с линейными ограничениями (стержни не должны пересекаться) им помог программный пакет NLopt, при этом задача решалась в безразмерном виде, где масштабным параметром выступал радиус скрываемого объекта. В результате им удалось подавить рассеяние более чем в 13 раз для любого направления звука на резонансной частоте.

Такой результат означает, что объект останется неслышимым даже для монохроматического звука с произвольным волновым фронтом, если его можно разложить по плоским волнам. Для иллюстрации этого физики смоделировали, как будет распространяться и рассеиваться звук, испущенный точечным источником вблизи замаскированного объекта. Симуляции подтвердили камуфляжные свойства стержневых оболочек и показали, что звуковое поле сильно локализуется и усиливается на них за счет локальных резонансов.

Физики также исследовали влияние вязкости на маскировку. Так, в ее отсутствии, спектр рассеяния структуры обладал узким провалом на резонансной частоте. Введение же небольшой диссипации в силиконовой резине смещало оптимизационные параметры, а сам провал становился шире и менее выраженным. Тем не менее при небольшой вязкости структура сохраняла свои маскирующие свойства.

Шапка-неслышимка очень полезна для животных, на которых охотятся с помощью эхолокации. В природе пассивная акустическая маскировка возникает как результат оптимизации за счет эволюционного отбора, длящегося миллионы лет. Такую неслышимость обеспечивают крылья ночной бабочки Bunaea Alcinoe, которая спасается от летучих мышей.

Марат Хамадеев