Каждый раз, когда автономный дрон ныряет, чтобы исследовать дно океана, его собственная броня, призванная защищать дрон, одновременно мешает работе гидролокатора. В статье, опубликованной в журнале International Journal of Extreme Manufacturing, профессор Юй Чжан из Шанхайского университета Цзяо Тун и его коллеги решили этот давний инженерный парадокс, изобретя мягкую акустическую «контактную линзу» особой формы, которая активно корректирует исходящие звуковые волны до того, как они пройдут через защитную оболочку дрона.
Для подводных аппаратов требуются гладкие изогнутые гидродинамические купола, которые уменьшают сопротивление воды и защищают хрупкую электронику. Но когда гидроакустический импульс проходит через такой изогнутый корпус, звуковые волны деформируются и рассеиваются, как свет, проходящий через кривое зеркало. Из-за этого эффекта дрон практически теряет способность «видеть» удаленные объекты, а отраженные эхо-сигналы сливаются с фоновым шумом.
В прошлом инженеры пытались решить эту проблему с помощью массивных, энергоемких электрических систем или сложных компьютерных алгоритмов. Однако последние не могут вернуть звуковую энергию, которая уже рассеялась в воде, а громоздкая электроника быстро разряжает аккумуляторы небольших дронов, ограничивая продолжительность их погружения.
Чтобы физически скорректировать звуковую волну, команда профессора Чжана использовала принцип обращения времени, чтобы рассчитать точную форму искаженного купола. На основе этого расчета ученые создали корректирующую линзу, смешав тяжелые микроскопические частицы вольфрама с гибкой силиконовой резиной, которая соответствует акустическим свойствам воды.
Поскольку звук распространяется с разной скоростью в зависимости от эффективных механических модулей и плотности материала, команда исследователей смогла точно контролировать скорость распространения звука, регулируя концентрацию вольфрама. Они сформировали из него концентрические кольца, которые действуют по тому же принципу, что и линзы разной толщины в очках с диоптриями. Когда звуковой импульс проходит через эти кольца, определенные части волны задерживаются ровно настолько, чтобы, когда звук наконец достигает изогнутого купола, он выходил идеально ровным и сфокусированным.
Физические результаты этого вмешательства легко поддаются измерению. Резиновая линза собирает рассеянную волну под углом 65 градусов и фокусирует ее в узкий луч под углом от 16 до 30 градусов. Это похоже на переход от рассеянного света, слабо освещающего всю стену, к узкому лучу, направленному на одну точку. Линза усиливает основной гидроакустический сигнал более чем на 10 децибел в широком диапазоне частот от 20 до 45 кГц, одновременно снижая уровень фоновой реверберации более чем на 10 децибел. Это позволяет многократно повысить производительность без дополнительных затрат энергии аккумулятора и необходимости в сложной обработке сигнала.
Для производителей морской техники это означает кардинальные изменения в конструкции подводных аппаратов. Поскольку акустическая коррекция встроена непосредственно в дешевый и легко формуемый материал, производители смогут оснащать недорогие дроны высокоточным гидролокатором. Это позволит проводить глубоководное картографирование и отслеживать объекты на больших расстояниях, не полагаясь на крупные подводные аппараты. Силикон-вольфрамовый материал также сохраняет стабильность при перепадах температур и воздействии соленой воды, что доказывает его пригодность для использования в суровых условиях океана.
Следующим шагом станет переход от контролируемых испытаний в реке к долгосрочным испытаниям в океане, в частности к проверке устойчивости материала к морскому биообрастанию. Производственные процессы также будут развиваться в направлении усовершенствованной 3D-печати для создания бесшовных градиентных линз. В перспективе эту технологию можно будет адаптировать для повышения четкости медицинских ультразвуковых изображений или для обследования промышленных конструкций.
