Акустические метаматериалы представляют собой искусственно
спроектированные среды, обладающие управляемыми акустическими
свойствами, которые невозможно реализовать в природных материалах. Их
структурные элементы имеют размеры, как правило, меньше длины звуковой
волны, что позволяет рассматривать метаматериал как эффективную среду с
заданными макроскопическими параметрами — плотностью, модулем
сжимаемости и импедансом.
Главная идея заключается в создании структур, способных обеспечивать
отрицательные или анизотропные значения эффективных параметров. Это
открывает возможности для управления распространением звука: фокусировки
ниже дифракционного предела, создания акустических линз, канализации
звуковой энергии и подавления шума.
Эффективные параметры
и их интерпретация
При описании акустических метаматериалов используют аналогию с
электромагнитными системами, где ключевыми параметрами являются
электрическая проницаемость и магнитная проницаемость. В акустике
соответствующими величинами служат:
- Эффективная массовая плотность (ρₑff) — отражает
инерционные свойства среды относительно звуковых колебаний. В
метаматериалах может быть достигнута отрицательная плотность, когда
структурные резонаторы движутся в противофазе с внешним
воздействием.
- Эффективный модуль сжимаемости (Kₑff) —
характеризует способность среды изменять объем под действием давления.
При определённых условиях он также может принимать отрицательные
значения, что приводит к необычным режимам распространения звуковых
волн.
- Акустический импеданс (Z) — отношение звукового
давления к скорости частиц, определяет согласование волн на границах
раздела материалов. В метаматериалах возможно создание структур с
управляемым импедансом, что позволяет минимизировать отражения или,
напротив, создавать сильные барьеры для звука.
Резонансные механизмы
Ключевым элементом акустических метаматериалов являются
резонансные структуры, которые обеспечивают необычные
значения эффективных параметров. Наиболее распространены:
- Мембранные резонаторы — тонкие упругие мембраны,
закреплённые по краям, способные поглощать или отражать звуковые волны в
узком диапазоне частот. Они используются для получения отрицательной
плотности.
- Гельмгольцевские резонаторы — полости с узкими
горлышками, эффективно работающие как акустические фильтры и
обеспечивающие отрицательную сжимаемость вблизи собственной частоты
резонанса.
- Многослойные и комбинированные структуры —
объединяют мембранные и полостные резонаторы, создавая расширенные
диапазоны с необычными свойствами, включая зоны запрещённого
распространения.
Фоновые эффекты и
зоны запрещённых частот
Одним из ключевых явлений является образование акустических
запрещённых зон (band gaps), где распространение волн
становится невозможным. Такие зоны возникают благодаря брэгговской
интерференции в периодических структурах или вследствие локализованных
резонансов.
- Брэгговские зазоры формируются за счёт
дифракционного взаимодействия на периодической решётке, эффективны при
размерах элементов, сопоставимых с длиной волны.
- Локализованные резонансные зазоры обеспечиваются
малыми резонаторами, размеры которых существенно меньше длины волны, что
позволяет создавать компактные устройства для низкочастотного
шумоподавления.
Анизотропные и градиентные
свойства
Особое внимание уделяется проектированию анизотропных структур, в
которых акустические свойства различаются по направлениям. Это открывает
возможности для:
- управления направлением распространения звука;
- создания акустических линз с отрицательной
рефракцией, обеспечивающих сверхразрешающую фокусировку;
- реализации метаповерхностей, позволяющих
произвольно изменять фазовый фронт акустической волны.
Важным направлением являются градиентные акустические
метаматериалы, где параметры плавно изменяются в пространстве.
Они обеспечивают такие эффекты, как акустический камуфляж (скрытие
объектов от звукового облучения), направленная передача энергии и
управление волновыми пучками.
Потери и диссипация энергии
Реальные акустические метаматериалы неизбежно сопровождаются
потерями, связанными с вязкостью воздуха, теплопередачей и внутренним
трением в материалах. Эти эффекты играют двоякую роль:
- снижают добротность резонаторов и ограничивают диапазон
отрицательных параметров;
- в то же время открывают возможности для создания
метаматериалов-поглотителей, которые эффективно
рассеивают энергию звуковых волн, что полезно в задачах шумоподавления и
акустической изоляции.
Технологии изготовления
Современные методы изготовления акустических метаматериалов
включают:
- 3D-печать и литографию, позволяющие создавать
сложные периодические структуры с высокой точностью;
- микромеханические технологии, используемые для
разработки акустических метаповерхностей;
- гибридные подходы, сочетающие различные резонаторы
и композитные материалы для достижения многофункциональности.
Применения
Акустические метаматериалы находят применение в самых разных
областях:
- шумоподавление — создание компактных барьеров,
эффективных в низкочастотном диапазоне;
- медицинская диагностика и терапия —
сверхразрешающая акустическая томография, фокусировка ультразвука;
- архитектурная акустика — управление звуковыми
потоками в концертных залах и помещениях;
- военные технологии — акустический камуфляж,
снижение заметности объектов;
- связь и сенсоры — акустические фильтры и
волноводные системы нового поколения.