Исследователи из Японии и Южной Кореи разработали метаматериал, значительно улучшающий передачу звука между водой и воздухом за счет снижения доли отраженных от поверхности воды акустических волн. Статья об этом опубликована в журнале Physical Review Letters.
Звуковые волны, как и волны другой частоты, при распространении вынуждены проходить через различные препятствия. Одним из таких препятствий служит среда, в которой они находятся. Каждая среда имеет свое акустическое сопротивление. При переходе звука из одной среды в другую множество акустических волн отражается от поверхности раздела этих сред. Их доля тем значительнее, чем больше различаются акустические сопротивления сред. У воды оно в 3600 раз выше, чем у воздуха, поэтому с ее поверхности можно услышать максимум десятые доли процента от той громкости подводных звуков, которую они изначально имели. Это причина, по которой для исследования акустики толщи воды используются только гидрофоны — особые микрофоны, которые надо погружать в воду.
В ряде случаев было бы удобно записывать подводные звуки с поверхности или даже с суши. Но для этого их необходимо либо значительно усиливать, либо снижать долю акустических волн, отражающихся от водной глади. Она считается «твердой», и это еще одна причина, почему звук из воды так плохо слышно с воздуха. Способ сделать переход из одной среды в другую более «плавным» имеется: нужно поместить на поверхности их раздела слой хорошо проводящего звук материала толщиной примерно четверть от длины волны этого звука.
Проблема в том, что звуковые волны достаточно длинные, из-за чего такой «проводящий слой» должен быть очень толстым. Кроме всего прочего, его будет непросто удерживать у поверхности воды. Однако авторы обсуждаемой работы обошли эту преграду. Разработанный ими метаматериал так сильно снижает долю отраженных от водной глади акустических волн, что достаточно его слоя толщиной всего в один процент от длины звуковой волны, чтобы микрофон на поверхности воды нормально работал. Прототип такого звуковоспринимающего устройства представляет собой плавучий цилиндр с пленкой метаматериала, натянутой на металлический каркас. С его помощью через воду в воздух может выходить до 30 процентов акустических волн, что в сотни раз больше, чем «в природе».
У устройства, полученного с применением нового метаматериала, есть и недостатки. Во-первых, оно будет предотвращать отражение от поверхности воды не всех звуковых волн, а только тех, чья длина попадает в достаточно узкий диапазон. То есть звуки выше и ниже определенной частоты все равно не будут слышны над водой. Во-вторых, прибор воспринимает только звуковые волны непосредственно под собой, и в лаборатории его тестировали в узком цилиндре с водой. Это существенно ограничивает его возможности.
