Акустическая маскировка представляет собой область применения метаматериалов, направленную на управление распространением звуковых волн таким образом, чтобы сделать объект «невидимым» для акустического зондирования. Принцип основан на искусственном изменении эффективных параметров среды — плотности, модуля сжатия и скорости звука — вблизи маскируемого объекта. Создавая оболочку с пространственно изменяющимися характеристиками, можно перенаправлять акустические волны вокруг объекта, минимизируя отражения и рассеяния.
Ключевая идея маскировки заключается в использовании градиентных акустических метаматериалов, которые обеспечивают плавное изменение импеданса среды и тем самым устраняют резкие границы, обычно приводящие к дифракции и обнаружению объекта. Такой подход позволяет эффективно скрывать как неподвижные, так и движущиеся тела в воде, воздухе и твердых средах.
Изменение эффективной плотности и модуля упругости Акустические метаматериалы способны имитировать материалы с отрицательной плотностью или отрицательным модулем сжатия. Это открывает возможность создавать области, в которых звуковая волна огибает объект, как поток жидкости обтекает препятствие.
Использование анизотропии В традиционных материалах параметры среды одинаковы во всех направлениях. Метаматериалы позволяют проектировать анизотропные структуры, благодаря которым звуковая энергия направляется по заданной траектории, что критически важно для создания «акустических плащей-невидимок».
Пространственно-частотная селективность Управление структурой метаматериала позволяет избирательно маскировать объект только в определённом диапазоне частот. Такой подход применим, например, в гидроакустике для защиты подводных аппаратов от обнаружения сонарами.
Помимо маскировки, важным направлением является звукопоглощение, основанное на способности метаматериалов локализовать и рассеивать звуковую энергию. В отличие от традиционных пористых и волокнистых звукопоглотителей, метаматериалы позволяют эффективно работать в низкочастотной области, где обычные материалы малопродуктивны.
Основные механизмы звукопоглощения в метаматериалах:
Локальные резонансы. Использование резонаторов Гельмгольца, мембранных структур или микрополостей позволяет создавать локальные колебательные системы, поглощающие энергию на узких диапазонах частот.
Бродбэнд-структуры. Сочетание множества резонансных элементов с различными параметрами обеспечивает широкополосное поглощение, что особенно востребовано в архитектурной акустике и шумоизоляции.
Метапористые материалы. Комбинация традиционных пористых матриц с вкрапленными метаэлементами усиливает поглощение, улучшая характеристики в диапазоне низких и средних частот.
Создание акустических плащей требует прецизионного проектирования структуры материала. Используются методы:
Трансформационная акустика. Математическая методика, позволяющая вывести распределение параметров среды, при котором траектории звуковых волн огибают объект. Эта теория аналогична трансформационной оптике, но адаптирована к акустическим средам.
Метаматериалы на основе периодических решёток. Размещение элементов в виде регулярных структур позволяет управлять фазой и амплитудой проходящих волн.
Активные акустические метаматериалы. Включение пьезоэлектрических или электромеханических элементов позволяет динамически изменять характеристики материала, что делает возможной перестройку маскировки в реальном времени.
Военно-морская техника Маскировка подводных аппаратов от гидролокаторов, снижение шумности субмарин и торпед.
Архитектурная акустика Управление распространением звука в концертных залах, офисах, жилых зданиях.
Индустриальное шумоподавление Защита персонала от производственного шума, акустическая изоляция оборудования.
Медицинская диагностика Управление звуковыми волнами в ультразвуковой визуализации для повышения точности диагностики.
Робототехника и беспилотные аппараты Создание малошумных двигательных систем, акустическая маскировка дронов и автономных систем.
Современные исследования направлены на сочетание пассивных и активных подходов, что открывает путь к созданию гибридных систем маскировки и поглощения. Важным трендом является разработка тонкоплёночных метаматериалов, обеспечивающих значительное снижение веса и объёма конструкции при сохранении высокой эффективности. Перспективным направлением также считается внедрение адаптивных систем, способных подстраиваться под изменяющуюся акустическую обстановку и частотный спектр воздействующих волн.