Физики создали метаматериал, позволяющий передавать звуковые колебания из воды в воздух. После доработки материал можно будет использовать в приборах для наблюдения за морскими животными, издающими звуки под водой.
©Wikipedia
Если вы нырнете в бассейн и крикнете, человек, стоящий у бортика, вас не услышит. При переходе из воды в воздух теряется 99,99% энергии волны. Группа японских и корейских физиков создала метаматериал, на 30% улучшающий передачу звука из воды в воздух. Авторы разработки рассчитывают, что улучшенную версию прибора на основе метаматериала можно будет использовать в приборах для исследования водных экосистем.
Сейчас звуки, которые издают морские жители, регистрируют с помощью гидрофонов – приборов, которые работают только под водой. Устройство на основе нового материала можно будет использовать без погружения.
Прототип выглядит как короткий цилиндр с резиновой обмоткой с одного края; в рабочем состоянии он плавает по поверхности воды. Когда подводная звуковая волна доходит до поверхности устройства, метаматериал преобразует колебания в новую волну, которая распространяется уже по воздуху.
Отражение звуковой волны происходит на границе раздела сред, где меняется акустический импеданс; у воды он в 3600 раз больше, чем у воздуха. Чем больше разница в импедансе, тем меньше энергия волны, преодолевающей границу раздела сред. Слой метаматериала толщиной в четверть длины звуковой волны сглаживает разницу импеданса и позволяет волне переходить в воздушную среду. В прототипе толщина покрытия составляет не четверть, а около сотой длины звуковой волны, и тем не менее прибор работает.
По схожему принципу работают просветляющие покрытия линз в очках и камерах. Длина волны видимого света составляет несколько сотен нанометров; покрытие толщиной в несколько радиусов атома не дает видимому свету отражаться от границы между воздухом и поверхностью линзы.
Прежде чем технологию можно будет применить, предстоит решить главную проблему: метаматериал практически неэффективен в случае, если звуковая волна сталкивается с его поверхностью под острым углом. Прототип тестировали в наполовину заполненной водой трубе, так чтобы звук приходил примерно под одним углом. Но на поверхности водоема это существенно ограничит эффективность работы прибора.
Описание прототипа опубликовано в журнале Physical Review Letters.
