Плащ-невидимка пользуется оглушительным успехом

Стало понятно, из чего можно сделать так называемый «акустический плащ-невидимку» – оболочку, делающую скрываемые ей объекты не только полностью изолированными от внешних звуков, но и совсем не отражающими и не искажающими поток звуковых колебаний снаружи. Попросту говоря, завернувшись в такой акустический плащ, можно стать полностью невидимым в звуковом пространстве – ни летучая мышь, ни самый чувствительный военный сонар не смогут обнаружить вас, даже приблизившись вплотную.

Материал звукового плаща-невидимки позволяет организовать огибание звуковыми волнами объекта наподобие того, как потоки жидкостей обтекают предметы, опущенные в ручей или просто под струю воды. Однако в отличие от камней в реке, за плащом не будет тянуться шлейф искажений в движении звука. Такие материалы могут применяться в густонаселенных городах для защиты жилищ от шума автострад и самолетов. Наверняка подобная разработка привлечет и внимание военных, которым важно сделать свои корабли и подводные лодки как можно менее заметными для сонарных датчиков. Возможно, этот акустический материал найдет применение и в оформлении концертных залов.

Проблема создания «плаща» в том, что ни одно из веществ, встречающихся в природе или полученное синтетическим путем, не сможет удовлетворить всем необходимым требованиям в одиночку. Эта проблема не так давно нашла свое решение в виде так называемых метаматериалов – веществ, структура которых представляет собой чередование слоев двух различных компонентов, которые оба являются акустическими кристаллами. Это непривычное для непосвящённого уха словосочетание было дано таким материалам за сходство с фотонными кристаллами из-за наличия в своей структуре запрещенных зон, в которых звуковая волна не распространяется, а претерпевает полное отражение.

В статье, опубликованной в последнем выпуске журнала New Journal of Physics, Хосе-Санчес Деэса и Даниэль Торрент из Политехнического университета испанской Валенсии описали концепцию такого метаматериала и способ его получения с помощью известных и доступных компонентов.

Работа Деэсы и Торрента базируется на теоретических наработках Джона Пендри из Имперского колледжа в Лондоне, а также Дэвида Смита и его коллег из американского Университета имени Дьюка, которым в прошлом году удалось создать мета-материал, делающий объекты невидимыми для электромагнитных волн строго определенной частоты.

Теперь же испанские учёные с помощью математического моделирования показали, что аналогичным образом метаматериалы, изначально разрабатывавшиеся для нужд микроэлектроники, технологий цифровой графики и оптических микролинз, могут быть пригодны для создания «акустического плаща», экранирующего объект от звуковых волн сразу всех частот выше определённого порога. Сам порог определяется свойствами материала.

Проделав массу вычислительных модельных экспериментов, ученые пришли к выводу, что оптимальные свойства акустического плаща, удовлетворяющего этим требованиям, потребуют создания материала толщиной всего в 200 слоев акустических кристаллов.

Чтобы объект под плащом был «невидимым» для внешнего наблюдателя, необходимо заставить волну перемещаться по огибающей траектории с большей скоростью, чем напрямую сквозь материал: волна всегда идёт по той траектории, по которой быстрее всего добраться до конечной точки. Огибая таким образом объект и сходясь в точке за объектом, противоположной источнику звука, колебания не будут претерпевать искажений. А значит, подводная лодка останется незамеченной сонаром, а слушатель, помещенный в комнату, стены которой обшиты «плащом-невидимкой», не услышит ни звука из внешнего пространства.

К сожалению, со светом проделать такой трюк пока получалось лишь для электромагнитных колебаний определённой частоты, и многие учёные уверены, что сделать настоящий плащ-невидимку, который одинаково хорошо будет скрывать, например, и от зелёного, и от красного цвета, не получится. Впрочем, пока создать необходимый материал ни для одного из видимых человеческим глазом цветов еще не удалось – опыты Смита проводились в микроволновом диапазоне.

На деле и у Деэсы с Торрентом успехи пока не так уж велики. Во-первых, все опыты пока проводились лишь, что называется, in silico – в памяти компьютера. А во-вторых, моделирование проводилось в двух измерениях и для объекта идеально круглой в сечении формы. И хотя результаты должны быть напрямую применимы к плащам-невидимкам в виде длинных цилиндров, у торцов такого цилиндра неизменно появится какая-то звуковая «тень».

Вместе с тем, Хосе-Санчес Деэса считает, что все результаты можно экстраполировать на трёхмерные объекты простой, например, сферической формы.

Это потребует лишь более сложных вычислений, более мощного компьютера и долгого подбора оптимальных свойств многочисленных слоёв метаматериала. Принципиальных препятствий на этом пути нет. Впрочем, принципиальных препятствий нет и для того, чтобы ходить по потолку, однако пока это удаётся всё больше паукам и ящерицам, но никак не человеку.

Главная задача на сегодняшний день состоит в том, чтобы научиться получать тонкие слои акустических кристаллов. Пока же все эксперименты проводятся с алюминиевыми цилиндрами макроскопического масштаба, которые обтянуты толстыми слоями акустических кристаллов, а оборачивать такой массивной «пленкой», например, подводную лодку, чтобы сделать её невидимой для сонаров, по понятным причинам нельзя.

Многие учёные полагают, что успех не за горами. Например, Стивен Краммер, занимавшийся созданием «традиционного» плаща-невидимки в 2006 году, уверен, что уже скоро инженеры найдут способ получить тонкие и эффективные акустические кристаллы. За ними можно будет подумать и о создании самого акустического плаща.