В последние годы со всё более широким распространением компьютерного моделирования процессов перед исследователями открываются возможности по созданию абсолютно новых типов материалов, одним из которых являются так называемые акустические метаматериалы. Они представляют собой периодические структуры, то есть состоящие из повторяющихся элементов размером от субволнового до макроразмеров, которые дают совершенно новые, неожиданные возможности.
Манипулирование волнами не является новым в человеческой истории: в качестве достаточно старых и забавных примеров можно назвать специальные экраны — «шоры», называющиеся ещё «наглазниками» и применяющиеся для ограничения поля зрения лошадей (по бокам от глаз), а также в некоторых случаях — специальные приспособления для закрывания ушей лошадей-новичков во время обучения их в прошлом, для целей армии (чтобы лошади не пугались громкого звука выстрела; со временем они привыкали, и эти приспособления были уже не нужны).
Новые времена привнесли и новое применение научных теорий: в частности, в деле проектирования систем глушения (для выхлопных трактов) и систем впрыска двигателей внутреннего сгорания стала широко применяться теория резонанса Гельмгольца.
Настоящее время ещё более продвинуло исследователей в деле обуздания волн, когда появилась возможность проектировать и создавать практически так называемые «метаматериалы».
Сам термин «метаматериалы» был впервые введён в обиход профессором Роджером Уолсером — под ними он понимал искусственные структуры в трёхмерном пространстве.
Такие материалы обычно представляют собой массивы резонаторов, имеющие размер меньше длины волны, но, тем не менее, есть и другие варианты — могут быть использованы специальным образом сконструированные геометрические объекты, состоящие из компонентов больше длины волны.
Любопытным моментом для обоих вариантов является то, что в некоторых случаях такие структуры могут быть заранее спроектированы таким образом, чтобы они имели возможность изменять свою структуру под воздействием приложенных внешних сил (например, с помощью электромагнитного поля, если речь идёт о субволновых материалах) или даже с помощью обычных электроприводов любого типа (в случае метаматериалов, состоящих из частиц макроразмера).
В качестве одного из таких примеров можно назвать напечатанную на 3D принтере структуру, содержащую наночастицы железа:
Картинка: nplus1.ru
Эта структура представляет собой трёхмерно распределённые (за счёт приложения магнитного поля) полимерные трубочки, изменяющие свою геометрическую форму (как названо в оригинале — «вспучивающиеся»).
Примечание: так как в оригинале дополнительных пояснений не даётся, то я сам понимаю этот момент так, что наночастицы железа разворачиваются (в некоторых пределах, насколько это позволяет жёсткость материала) согласно линиям приложенного магнитного поля, как бы «распирая» изнутри напечатанный материал.
Целью этого эксперимента являлось изменение прохождение звука: и если при отключённом питании электромагнита такое прохождение можно было бы принять за 100%, то при подаче питания на электромагнит с частотой 2500-3450 Гц наблюдалось снижение прохождения звука на 50%, при 3000 Гц – падение его прохождения до 8% (т. е. наблюдалось глушение звука на 92%).
Тем не менее, сами авторы исследования отмечают, что для достижения таких результатов потребовалось создание достаточно сильного электромагнитного поля в 0,1-0,5 Тл (что приблизительно в 100 раз больше, чем типичное поле от «магнитика на холодильник»), и это соответствующим образом ограничивает области применения такой технологии. Однако она остаётся интересной ввиду доступности материалов и простоты повторения.
В процессе вдумчивого прочтения этого эксперимента родилась забавная мысль: они там используют для 3D-печати некий жёсткий полимер (не конкретизирован какой), который, несомненно, обладает ввиду своей жёсткости определёнными ограничениями в возможностях изменения геометрических размеров. Если попробовать взять вместо, скажем, более жёстких материалов тот же самый TPU (полиуретан), возможно, результаты были бы лучше...
Тема метаматериалов не ограничивается только их применением в акустической области (ниже картинка не очень хорошего качества, но лучшего нет, к сожалению; картинка кликабельна):
Картинка: iopscience.iop.org
Тем не менее, она даёт определённое понимание спектра применений таких материалов в целом, а не только звуковых.
Если попробовать сжато сказать о самых ярких возможных применениях, то, безусловно, одним из таких станет создание суперлинз — оптических устройств, которые могут создавать изображения меньше, чем длина волны света, использующегося для их наблюдения!
Если сказать точнее, то обычные линзы не обладают возможностью создавать изображения меньше, чем квадрат длины световой волны, так как наблюдается экспоненциальное затухание; в случае же «суперлинз» происходит преодоление дифракционного предела, а сами линзы демонстрируют отрицательный коэффициент преломления (весьма подробно на эту тему можно почитать вот здесь).
Если не вдаваться во множество технических подробностей, то на практике это означает (в качестве одного из частных примеров), что такая линза получается очень тонкой и недорогой (ниже показан пример суперлинзы против эквивалентной односторонне выпуклой линзы):
Картинка: accscicn.com
Ещё одним ярким применением является их использование в деле поглощения солнечной энергии, где такие материалы могут заменить стандартные солнечные батареи, так как способны более эффективно поглощать световую энергию и могут заданным разработчиками образом фокусировать, перенаправлять, рассеивать свет на наноуровне, что делает их гораздо более эффективными, чем при стандартном подходе.
Ниже показана структура таких устройств, где на картинках a,b,c — вы можете увидеть саму структуру, а на картинке d — этапы процесса производства:
Картинка: accscicn.com
Тема эта весьма обширная и охватывает множество областей, поэтому интересующимся рекомендуется обратиться к соответствующей литературе из предметной области, так как рамки статьи не позволяют описать хотя бы кратко все из них…
Однако вернёмся к вопросу звуковых метаматериалов…
С помощью создания таких материалов может быть доступно множество очень интересных возможностей, невиданных ранее:
- акустическая линза — фокусировка и перенаправление звука в заданном направлении;
- частный случай акустической линзы — изгибание звука так, чтобы он был направлен в нужном направлении или огибал некий объект или зону (например, направление звука только слушателям, сидящим перед телевизором), в то время как в остальной части помещения царит относительная тишина;
- разворот звука по фазе при взаимодействии с поверхностью;
- поглощение звука (глушение или извлечение из этого некоторой пользы, например, получение электричества).
Из всех описанных применений, несмотря на то что они все имеют определённую научную ценность, в практическом применении, в быту, особую значимость приобретает использование метаматериалов для целей глушения звука: всё большее количество человечества переселяется в города, где звуковое загрязнение является одним из существенных факторов, отравляющих жизнь.
В связи с этим многие исследователи прилагают существенные усилия для разработки материалов, которые бы позволяли эффективно бороться с шумом.
При этом для моделирования звуковых процессов используется специальные программные пакеты, позволяющие увязать взаимодействие волн и реальных физических объектов.
В ходе опроса специалистов, работающих в этой области, где они обычно называют разные пакеты, особо выделяются как наиболее подходящие:
- Comsol Multiphysics;
- Ansys HFSS;
- Lumerical.
Новые возможности 3D-печати и современного материаловедения во многом сняли проблему физического получения таких структур, однако существует явная проблема другого рода (широко известная и в других областях): проектирование.
Так как, если сказать по-простому, «универсальные вещи одинаково плохо работают для всего", поэтому учёным приходится производить сложный процесс проектирования под каждую конкретную частоту (для максимально эффективного глушения именно её), что довольно затруднительно.
В последнее время делаются попытки применения для решения этой проблемы — использовать глубокое обучение и нейросети, чтобы можно было легко проектировать трёхмерные структуры под нужную частоту(ты).
По ссылке выше вы можете познакомиться с одним из таких примеров, где было произведено обучение нейросети на 360 наборах, что позволило ей успешно спроектировать трёхмерную структуру под нужную частоту со всего лишь 2% ошибкой.
При этом учёные, которые провели это исследование, отмечают, что результаты весьма обнадёживают, и если в этом исследовании изучался вопрос о создании геометрических форм трёхмерных объектов, то в дальнейшем они планируют добавить ещё больше аспектов для проектирования нейросетью: подбор конкретного материала, достижение минимального веса, проектирование изначально цельной или разборной конструкции.
В целом, касательно звуковых метаматериалов, можно отметить, что усилия учёных направлены в сторону создания таких структур, которые:
- требовали бы минимального физического размера для эффективной работы;
- по возможности минимально блокировали свободное прохождение воздуха при максимальном глушении определённой частоты (частот) — условно говоря, идеальным является «сидеть с открытыми окнами при полной тишине в центре города».
Говоря о минимально возможном размере, учёные отмечают, что в теории возможно создание материала толщиной всего лишь в длину волны, и этого будет вполне достаточно для эффективного глушения (скажем «привет» будущим эффективным звукоизолирующим плёнкам на окна или противомоскитной сетке с дополнительной функцией глушения звука — в обыденном сознании мы привыкли, что для эффективного глушения нужно нечто «массивное и толстое», но в случае метаматериалов это вовсе не так).
Например, вот здесь можно ознакомиться с любопытной работой, где рассматривается сверхтонкий материал для глушения звука.
Как можно было заметить, по ходу статьи многократно упоминается тема 3D-печати, и это не случайно: её появление дало абсолютно новые возможности, при этом, что интересно, возможности 3D-печати могут применять на практике даже любители, не знакомые с темой звуковых метаматериалов прежде!
Но для начала, чтобы это не было сухим описанием, посмотрим ниже видео, которое демонстрирует, насколько сильно может осуществляться глушение звука с использованием метаматериала:
Возвращаясь снова к теме 3D-печати, можно сказать, что практически с самого момента появления доступных FDM 3D-принтеров, в сети сформировались целые сообщества, один из представителей которого ставит своей целью создание общедоступных параметрических 3D-моделей (то есть конфигурацию которых можно менять, вводя определённые параметры в формулах CAD, в котором спроектирована модель). Их может использовать каждый, распечатав на собственном домашнем 3D-принтере. Каждая 3D-модель представляет собой индивидуальный элемент для целей будущего объединения в составную конструкцию. При этом не обязательно объединять в одну конструкцию только модели одного типа, можно варьировать типами моделей для достижения различных результатов, что и сказано в описании их подхода к стратегиям глушения звука:
Картинка: Juliendorra
Для создания всех 3D-моделей использовался бесплатный общедоступный 3D-редактор Openscad:
Картинка: Juliendorra
Сразу мысль на заметку: те, кто дружат с глубоким обучением, могут попробовать изменить существующие параметрические 3D-модели, поизучав законы, по которым меняются трёхмерные структуры под конкретную частоту, обучив и применив нейросеть для выдачи параметров будущей 3D-модели.
Также другим участником этого сообщества была разработана следующая модель для крепления на стену(кликабельно):
Картинка: Vasil B. Botev, Omnilabs
Результаты применения этой модели на практике:
Картинка: Vasil B. Botev, Omnilabs
Таких сообществ достаточно много, что вы легко можете обнаружить, поизучав этот вопрос, а 3D-модели, показанные на картинках выше, можете скачать там же или здесь, здесь.
Как можно видеть, тема метаматериалов в целом и акустических метаматериалов в частности, весьма увлекательна и сулит множество интересных возможностей.
Может быть, вы и будете одним из тех, кто с помощью нейросети или даже вручную сможет разработать какой-то новый акустический метаматериал?
© 2024 ООО «МТ ФИНАНС»
Автор: DAN_SEA
