Последние исследования ученых из Китая показывают, что направление распространения звуковых волн может быть откорректировано с помощью так называемых метаматериалов. Для этого упомянутые метаматериалы должны состоять из крошечных элементов, каждый из которых имеет множество узких каналов. Моделирование показывает, что подобные структуры могут преломлять звуковые волны в «неправильном» направлении, что в будущем может быть использовано для улучшения методик ультразвукового отображения.

В течение 25 лет исследователи ищут способ изменить направление распространения электромагнитных волн с помощью так называемых метаматериалов, имеющих внутренние структуры, сравнимые по размерам с длиной волны излучения. Результатом их работы стали, к примеру, фотонные кристаллы, в которых показатель преломления изменяется с определенным периодом. Более серьезные работы были направлены на формирование массивов крошечных оптических резонаторов, которые могут «реагировать» на длину волны падающего излучения. Эксперименты показали, что

подобные метаматериалы могут обладать экзотическими свойствами, в том числе отрицательным показателем преломления. Теоретически они могут использоваться для улучшения свойств линз, имеющих ограниченную разрешающую способность, или для «сокрытия» объектов (эффекта невидимости).

Рис. 1. Метаматериал для акустических волн,
предложенный китайскими учеными.

Недавно ученые распространили подобные методы работы и на акустические волны. Способность контролировать направление распространения акустических колебаний теоретически может повысить точность медицинского ультразвукового исследования или улучшить системы защиты зданий от землетрясений. В своей последней работе, опубликованной в журнале Physical Review Letters, группа ученых из City University of Hong Kong (Китай) предложила свой вариант метаматериала, который мог бы работать со звуком (но не со светом).

В своей работе ученые представили двумерную плоскость как совокупность небольших квадратов (на подобии шахматной доски). При этом каждый квадрат представлял собой «лабиринт» с входом и выходом на противоположных гранях, заполняющий всю его площадью. Для схемы «лабиринта», предложенной учеными, существует только 2 вида подобных элементарных «квадратов»: они отличаются друг от друга поворотом на 90 градусов. При создании своего метаматериала ученые размещали эти квадраты по принципу шахматной доски.

Исследователи сосредоточили свое внимание на волнах, для которых путь по квадрату кратен длине волны. Они рассмотрели две ситуации: когда путь немного длиннее длины волны, и когда путь короче длины волны. В первом случае волна проходит элементарный квадрат с небольшой задержкой. Поскольку скорость звука очень высока, это соответствует достаточно малому показателю преломления. Однако во втором случае наблюдается иная ситуация, приводящая к возникновению отрицательного эффективного показателя преломления волны.

Теоретически это свойство сходно с ситуацией в оптике, где аналогичные работы позволили разработать линзы со сверх-высокой разрешающей способностью. Моделирование ситуации, ограниченное двумя измерениями, подтвердило, что

разработка (предложенный метаматериал с отрицательным показателем преломления) теоретически позволит сделать аналогичный вклад в акустику.

Ученые считают, что результаты должны подтвердиться и при трехмерном моделировании. Кроме того, исследователи считают, что в описанной системе звук будет распространяться с относительно небольшими потерями. Однако необходимо провести еще ряд численных и практических экспериментов для окончательного подтверждения теории.