Ученые выявили фундаментальную связь, определяющую, как физические свойства материи влияют на поведение звука. Адаптировав правило квантовой механики к классической акустике, исследователи получили мощный инструмент для проектирования тонких и легких метаматериалов, способных гасить шумы на принципиально ином уровне. Статья ученых опубликована в журнале Physical Review Letters.
Ограничения закона масс
Традиционный закон масс в акустике гласит: чем тяжелее и плотнее стена, тем эффективнее она изолирует звук. Каждое удвоение массы на единицу площади увеличивает потерю звукопередачи примерно на 6 децибел. Однако акустические метаматериалы нарушают это правило. За счет сложной внутренней структуры из периодических «элементарных ячеек» они способны создавать отрицательную массовую плотность или отрицательный показатель преломления, перенаправляя и поглощая звук.
Главной проблемой оставалось то, что инженерия таких материалов опирается на явления резонанса, а значит, подавление шума на одних частотах часто ухудшает характеристики на других. Универсального правила, которое бы объясняло, как связать физику материала с его общей способностью гасить звук на всех диапазонах, до сих пор не существовало.
Акустический аналог правила Балдина
Для решения задачи ученые адаптировали квантовое правило сумм Балдина, которое связывает поляризуемость частиц с тем, как они поглощают излучение. Акустическая версия показала, что общая способность материала рассеивать звуковые волны строго ограничена его статической массой и жесткостью. Следовательно, целенаправленно подавляя рассеяние на низких частотах, можно высвободить «ресурсы» для обеспечения сверхширокополосной звукоизоляции на высоких.
Новый закон был подтвержден с помощью экспериментов с различными резонаторами в аэродинамических трубах. Прогнозы полностью совпали с измерениями, продемонстрировав более широкий диапазон блокировки звука по сравнению с традиционными инженерными решениями. Открытие может произвести революцию в создании сверхтонких глушителей для вентиляции, шумоизоляции зданий, салонов автомобилей и даже в технологиях гидролокации.
Ранее Наука Mail рассказывала, что пианисты могут менять звучание инструмента своим касанием.
