Команда исследователей из университетов Великобритании изобрела гибкий метаматериал, который преобразовывает проходящие через него звуковые волны и может фокусировать их в определенной точке.

Метаматериалы — это искусственно синтезированные материалы с определенными акустическими, электромагнитными или оптическими свойствами.

Метаматериал в данном случае представляет собой термопласт. Его основа — термопластовый кирпичик, заполненный термопластовым же стержнем. Эти стержни внутри каждого кирпичика уложены «змейкой» и имеют различную ширину и расстояние между собой. В зависимости от ширины и расстояния между стержнями в каждом кирпичике происходит фазовый сдвиг звука на определенную величину — от нуля до 2π.

Квадратная сетка из 256 ячеек вручную заполняется кирпичиками со «змейками» разной толщины, чтобы они образовали определенный «узор». Получается метаматериальная акустическая поверхность (решетка). Создав несложную конструкцию из двух таких решеток, ученые смогли сфокусировать звук, добившись эффекта левитации небольшого шарика. По отдельности каждая из решеток также способна управлять звуковой волной.

Принцип работы этого метаматериала похож на принцип линзы, фокусирующей свет. Звуковая волна, проходя через «кирпичики», задерживается в них, но по-разному, в зависимости от толщины и расстояния между складками «змейки». В результате образуется две гармонических волны, которые, накладываясь, образуют хорошо известный в акустике эффект стоячей волны. Шарик удерживается в воздухе за счет того, что попадает в узлы волны — точки, где ее амплитуда минимальна.

Для предотвращения дополнительного рассеяния звуковых волн длина «кирпичика» должна быть меньше длины волны, а ширина — меньше половины длины волны. В эксперименте ученые использовали длину волны 8,66 мм (это эквивалентно частоте 40 кГц) — так они имели возможность работать с крупными «кирпичиками», что облегчало сборку сетки и демонстрацию эксперимента.

Глобальная цель исследователей — создать акустические устройства, в которых звуком можно будет управлять с той же легкостью, с какой это делают при помощи различных проекторов со светом.

Новый метаматериал может быть использован для фокусировки звука в определенной точке как в огромных помещениях — концертных залах, аудиториях, так и для малых масштабов — в человеческом теле для разрушения опухолей ультразвуком, а также в диагностике трещин в труднодоступных местах. Акустическая линза на его основе значительно дешевле, меньше и легче используемых на данный момент аналогов. Сами кирпичики можно распечатать на 3D-принтере.

Исследование опубликовано в журнале Nature Communications.

Ранее американские инженеры создали метаматериал, который умеет менять форму и складываться в тонкий лист.