Просверлив отверстия в куске ПВХ и наполнив их мягким пластиком, ученые из Германии создали устройство, которое может эффективно делать объекты невидимыми для звуковых волн. Выполнение акустической «мантии-невидимки» превосходит существующие электромагнитные устройства и может открыть новые способы управления волнами, включая развитие защит от сейсмических волн.
Плащи-невидимки, разработаны для сокрытия объектов от глаз, вызывая волны, которые вместо того, чтобы рассеиваться на объекте, обходят его, как будто объекта и не было. Большая часть исследований в этой области на сегодняшний день сосредоточена на электромагнитной маскировке, и включает изготовление устройства, которое уменьшает микроволновое рассеяния вблизи медного цилиндра и изготовление «плащ-ковра» из минерала кальцита, который может скрыть объекты, расположенные на поверхности.
Техника преобразования оптики, которая используется для разработки и создания электромагнитного устройства также может быть использована для разработки маскировки от других видов волн. В 2009 году Стефан Енох (Stefan Enoch) из института Френеля в Марселе, Франция, и его коллеги выдвинули теоретические построения для акустического плаща, сделанного из концентрических колец из материалов с различными значениями упругости (модуль Юнга), и теперь упрощенная версия этого устройства сделана.
Концентрические кольца
Работу выполнили Мартин Вегенер (Martin Wegener), Николя Штенгер (Nicolas Stenger) и Манфред Вильгельм (Manfred Wilhelm) из Технологического института в Карлсруэ, Германия, которые сделали плащ диаметром 15 см, толщиной 1 мм, как диск из поливинилхлорида (ПВХ), в котором они протравили отверстия, в виде расположенных 20 концентрических колец. Круговая область в центре диска имеет размер чуть больше монеты в два евро. В этом месте расположенный элемент и был скрыт. Заполнив отверстия полидиметилсилоксаном (PDMS) и варьируя размер и расстояние между отверстиями от кольца к кольцу, исследователи смогли менять модуль Юнга по диску таким образом, что упругие (звуковые) волны в определенном диапазоне частот приближаясь к диску огибали центральную область, а затем восстанавливались как, если бы не было никакого препятствия на пути.
Модуль Юнга определяет скорость звуковых волн в материале, и, изменяя ее по диску, исследователи были в состоянии манипулировать падающими волнами так, что их скорость по направлению к центру плаща стремилась к нулю, а их скорость к периферии плаща увеличивалась. Это позволило волнам огибать центральную область и достигать противоположной стороны плаща так же быстро, как они сделали бы это, если бы не было плаща. «Не существует никакой разницы во времени и направлении новых волн», говорит Вегенер. «Так что ситуация ничем не отличается от отсутствия чего-либо на пути.»
Чтобы проверить свою идею, исследователи поместили громкоговоритель на одном конце листа ПВХ в центре которой они вырезали плащ. Затем они записали распространение звуковых волн при пересечении листа с помощью стробоскопического освещения и камеры расположенной выше. Исследователи сделали то же самое с листом, содержащим только центральное препятствие и обнаружили, что на частотах между 200-400 Гц наличие плаща позволило волнам распространяются по существу так, как если бы и не было препятствия на пути, в то время без плаща волны были разбиты на препятствии.
Простой и впечатляющийх
Джон Пендри (John Pendry) из Имперского колледжа в Лондоне, который выдвинул первым проект для электромагнитного плаща-невидимки, описывает последние результаты как «впечатляющие достижения». Он говорит, что «управление звуком пока еще отстает от оптических достижений в этом же направлении», но отмечает, что ряд исследовательских групп в настоящее время создают акустические плащи. Ульф Леонард (Ulf Leonhardt) из Университета Сент-Эндрюс в Великобритании, который также проектировал плащ-невидимку, подчеркивает простоту нового устройства. «Я всегда поражаюсь, как много можно сделать только путем сверления некоторых отверстий в пластике», говорит он.
В статье, сопровождающей документ с описанием работы, Росс МакФедран (Ross McPhedran) из Университета Сиднея в Австралии и Александр Мовчан (Alexander Movchan) из Ливерпульского университета в Великобритании говорят, что группа Вегенера «представила самую яркую демонстрацию эффективной маскировки до сих пор имевшуюся в литературе до этого». Они отмечают, что устройство не только оставляет проходящую волновую картину еще более нетронутой, чем любой другой плащ, построенный к настоящему моменту, но и, что оно обладает наибольшей полосой пропускания - одна октава, которая с точки зрения электромагнитных волн больше, чем было бы необходимо, чтобы охватить весь видимый спектр. Они говорят также, что интервал модулей Юнга в плаще - в три порядка - это «очень эффективно загибает волны вокруг препятствий и будет трудно, если не невозможно, добиться того же в соответствующей оптической ситуации». Они подчеркивают еще одно преимущество,- устройство может быть сделано с помощью прецизионного оборудования для мастерских, и без помощи литографии, как это необходимо для многих электромагнитных плащей.
Как таковые, они говорят, что акустические плащи «обеспечивают захватывающие наземные испытания новых методов борьбы с волнами необычными путями» и могут быть использованы в таких приложениях, как зондирование и коммуникационные технологии. «Очевидная возможность в далеком будущем - это контроль сейсмических волн», добавили они для physicsworld.com .
Стивен Камер (Steven Cummer) из Университета Дьюка в США придерживается аналогичной точки зрения. «Я могу себе представить, что с помощью этого можно было бы уменьшить вибрацию в критических местах инженерных сооружений, и таким образом, можно сделать их светлее и крепче, чем до сих пор», говорит он. «И это та вещь, которая была бы ценной во множестве различных приложений.»
Об авторе
Эдвин Картлидж (Edwin Cartlidge), Рим.
Перевод: Олег Кириллов
Комментарии:
2
Е. Г. Якубовский
31 января 2012 г.
16:14:28
Вот бы наши подводные лодки окружить таким материалом, чтобы гидролокаторы их не обнаруживали. Или хотя бы сильно шумящий винт заключить в такую коробку. Правда боюсь шум винта происходит из-за вращения жидкости, на большом расстоянии от винта. Но задуматься нашим военным следует.
О. Е. Кириллов
20 января 2012 г.
19:18:10
В комментариях к этой новости на PhysicsWorld некто ASIWEL (Jan 13, 2012 1:47 AM Kalamazoo, United States) оставил забавный комментарий в шутку, суть которого в том, что "...а не является ли Стоунхэндж древнейшим метаматериалом для защиты от сейсмических волн?"
Ко всем с уважением, ОК.