Так называемые «акустические метаматериалы» специально предназначены для контроля и управления звуковыми волнами, обычно с целью ослабления или передачи звука. Но такое акустическое устройство может выполнять только ту функцию, для которой оно было создано, например, например, подавление звука на подводной лодке. Это же устройство нельзя переориентировать для связи с другим проходящим судном с борта подводной лодки; для этого необходимо использовать другое акустическое устройство, специально разработанное для этой цели.
В настоящее время группа ученых из Университета Южной Калифорнии разработала акустический метаматериал, который может переключаться между различными потребителями путем применения тщательно настроенных магнитных полей, согласно информации, представленной журналом Research. Структура этих новых метаматериалов была вдохновлена необычной структурой кожи акулы. Их можно использовать для имитации функции переключателей, логических вентилей или диодов, что повышает вероятность звукового «компьютера».
«Метаматериал» технически определяется как любой материал, микроскопическая структура которого позволяет преломлять световой луч таким образом, каким он не преломляется в обычных условиях. Это свойство называется показателем преломления, т.е. соотношением скорости света в вакууме и скорости движения вершины световой волны.
Натуральные материалы имеют положительный показатель преломления. Некоторые искусственные метаматериалы, впервые синтезированные в лаборатории в 2000 году имеют отрицательный показатель преломления, то есть, они взаимодействуют со источником света таким образом, чтобы преломляться даже на очень острые углы. (Это делает их идеальными для приложений маскировки, поскольку любой «плащ-невидимка» должен иметь возможность огибать электромагнитные волны вокруг объекта.) Акустические метаматериалы концептуально во многом совпадают с ними, за исключением звуковых волн, но не света.
Кожа акулы кажется на ощупь абсолютно гладкой, в направлении от носа до хвоста. Обратное направление, однако, таковым не является, что делает ее тактильно похожей с наждачной бумагой. Это вызвано крошечными полупрозрачными чешуйками размером примерно 0,2 миллиметра, называемых «зубчиками» (из-за сильного сходства с зубами), которыми покрыто все тело акулы. Данные чешуйки особо сконцентрированы на боках и плавниках акулы. Это первый секрет быстрой скорости и маневренности акулы в воде. Например, акулы-мако могут плавать со скоростью от 70 до 80 миль в час благодаря отчетливому пассивному «щетинному» покрытию своего тела. Секрет того, как мако-акула плавает так быстро, кроется так же в ее гибкости.
В прошлом году в СМИ была набрала популярность работа инженера Университета Алабамы Эми Лэнга, который совместно с биологами Университета Южной Флориды исследовал структуру кожи акулы и нанесением на карту чешуек, особо выделяя, количество чешуек. Указанная группа ученых обнаружила, что у боков и плавников акулы чешуйки гораздо более гибкие. Это оказывает глубокое влияние на степень сопротивления давлению, с которым сталкивается акула-мако во время плавания.
Зубцы кожи акулы могут изгибаться под углом более 40 градусов от ее тела, но только в направлении реверса (то есть от хвоста до носа). Это контролирует степень разделения потока, аналогично углублениям на мяче для гольфа. Ямочка, или чешуя в случае мако-акулы, помогает поддерживать прикрепленный поток вокруг тела, уменьшая размер сопротивления и турбулентного следа. К примеру, мяч для гольфа «с ямочками», при ударе продвинется на 30% дальше, чем если бы тот же мяч был гладким. Такое же уменьшение сопротивления давлению относится и к гладкой и чешуйчатой коже акулы.
Принцип дизайна кожи акулы для акустических материалов, которые можно перенастроить с помощью магнитных полей.
Enharge / Shark дизайн акустических материалов, основан на структуре кожи акулы. Изделия, выполненные с применением подобной технологии, могут быть перенастроены путем применения магнитных полей.
Эта способность- «настраивать» степень сопротивления – привлекло интерес ученых, которые посчитали, что акустический метаматериал может быть построен по аналогичной технологии, и может быть использована для достижения множества свойств с помощью одного акустического устройства. «Используя традиционные акустические метаматериалы, вы создаете одну структуру и получаете одно свойство. С умным Shark-материалом мы можем достичь нескольких свойств только с одной структурой», - сказал соавтор Qiming Wang .
Они отливали столбы из жидкого силиконового каучука (для обеспечения гибкости) в сочетании с наночастицами железа, отверждая смесь в течение пяти часов, прежде чем извлекать их из форм. Секрет блокирования или передачи звука лежит в структуре: в данном случае это пространство между массивом столбов. Поместите столбы близко друг к другу, и они будут улавливать звуковые волны, а не пропускать их. Разместите их дальше друг от друга, и звук может распространяться через материал.
Наночастицы железа заставляют материал изгибаться в ответ на внешние магнитные поля. «Мы используем внешнее магнитное поле, чтобы согнуть столб и разогнуть столб, чтобы добиться такого переключения состояний», - сказал соавтор Kyung Hoon Lee. Это позволяет материалу переключаться между демпфированием и передачей звуковых волн.
Схема массива столбов метаматериала, с красными стрелками, указывающими направление магнитного поля.
Это свойство материала имеет несколько потенциально полезных способов использования. Так исследователи получили материал, имитирующий, например, переключатель, т.е. материал схожий по своему свойству с материалом используемым в наушниках с шумоподавлением. Столбы могут быть согнуты, и в этом положении способными пропустить внешний шум, в то время, при отключении магнитного поля они возвращаются в исходное положение, блокируя внешние шумы.
Ученые также обнаружили, что их новый материал может имитировать диоды, в которых звуковые волны могут распространяться только в одну сторону. В отличие от обычных акустических метаматериалов, этот новый класс материала может переключать связь между односторонней и двухсторонней передачей звука, просто настраивая магнитное поле для «звукового камуфляжа», (например, звуковой «плащ-невидимка» для подводных лодок).
Конечно, шкура акулы, которая вдохновляла открытие нового материала, хорошо работает в воде, в меньшей степени - в воздухе, но это, по мнению ученых, вопрос скорее того, «насколько хорошо мы научимся манипулировать магнитным полем» в отличной от воды среде. «Резина является гидрофобной, поэтому структура не изменится, но нам нужно проверить, будут ли материалы по-прежнему иметь перестраиваемость под воздействием внешнего магнитного поля», - сказал Ван.
https://arstechnica.com/science/2020/03/shark-skin-inspires-novel-smart-materials-to-manipulate-sound-waves/