Иногда так бывает, что известные всем по одной из областей идеи не оставляют учёных, заставляя исследовать возможность применения этих идей в абсолютно иной области, и ярким примером такого подхода является изобретение так называемых «акустических диодов»...
Все мы хорошо знаем обычные диоды по электронике, однако, как выясняется, учёные достаточно давно работают над возможностью реализации такого же одностороннего пропускания и в звуковой сфере!
Посудите сами, насколько это было бы перспективно — уже одно только создание идеальных звукопоглощающих материалов нашло бы применение во множестве областей, начиная от звукозаписи и заканчивая борьбой с нежелательным шумом городов: спецплёнки на стёкла, идеально звукопоглощающие завесы (например, занавески на окна), позволяющие свободно циркулировать воздуху и, соответственно, вентилировать помещение, но в то же время полностью удерживающие нежелательный шум снаружи; наверняка это будет полезно и для будущих научных применений…
Началась вся эта история ещё в 2010 году со знаковой работы группы китайских физиков, которая на практике впервые реализовала первый акустический диод, в реальности подтвердив предыдущие теоретические наработки.
Посмотрим на картинку выше подробнее:
в правой части (зелёного цвета) можно видеть слой суспензии, представленный медицинским гелем с микропузырьками, используемым обычно в ультразвуковой диагностике;
в левой части можно видеть сборный блок, представленный слоями стекла, перемежающимися слоями воды;
в правой части всей сборки находится ультразвуковой излучатель;
в левой части сборки находится ультразвуковой приёмник (в качестве и излучателя, и приёмника используются устройства одного и того же типа).
Таким образом, весь ход эксперимента начинается справа налево и, соответственно, звуковая волна проходит сначала через всю сборку справа налево.
Вся правая часть сборки названа условно как NLM (Nonlinear Medium) — нелинейная среда — так как в ходе прохождения сквозь этот блок звуковая волна меняет свои свойства (частоту), причиной чего являются колебания пузырьков воздуха в геле, которые начинают переизлучать эту волну на удвоенной частоте.
Переизлучение на удвоенной частоте вовсе не означает, что изначальная волна преобразуется в волну удвоенной частоты и волна изначальной частоты пропадёт — вовсе нет, она свободно проходит через блок суспензии.
Вся левая часть сборки носит название «Суперрешётка» (Superlattice) и работает в роли частотного фильтра, отсекая изначальную частоту и пропуская только переизлученную удвоенную частоту.
Гашение изначальной частоты происходит за счёт сложения вошедшей в эту сборку звуковой волны и отражённых от границ сред (вода/стекло между слоями) части волны в противофазе (деструктивная интерференция).
Чтобы такое отражение сработало, необходимо, чтобы расстояния между границами сред (можно сказать «толщина слоёв») были определенной величины и, в рассматриваемом эксперименте, они были подобраны таким образом, чтобы происходило гашение длины волны изначального ультразвукового излучателя, тогда как удвоенная частота проходила без проблем.
Кстати, об этих излучателях: каждый из них использовался и в роли излучателя, и в роли приёмника:
В первом случае, когда волна была пущена справа-налево, тестировалось прохождение волны сквозь всю сборку, и левое ультразвуковое устройство работало в качестве приёмника.
В обратном случае, тестировалась прохождение слева-направо, в ходе которого было зафиксировано почти полное глушение этой волны, где от изначальной волны проходил всего лишь 0,01%.
Таким образом, на практике была проверена работоспособность концепции акустического диода, и, если кому интересно, то вот такая сборка слева (суперрешётка) носит ещё название фононного кристалла — довольно интересная штука в целом, если кому интересно... Можно создавать блокираторы произвольных частот! ;-)
Этот эксперимент запустил целую серию исследований, множеством последователей, по сути, породив новую ветку разработок.
При внимательном взгляде на описанный выше эксперимент становится видна его основная проблема, без решения которой его широкое использование в полезных целях может быть затруднительным (кроме узконаучных, конечно): крайняя узкополосность — то есть, эффективная работа только с одной частотой (вся система эффективно работает только с одной частотой, подаваемой на вход).
Поэтому одним из основных направлений дальнейших разработок явились попытки расширить диапазон частот, в рамках которых может эффективно работать устройство.
И одна из любопытных конструкций, успешно решающая поставленную задачу, описана вот здесь, а принципиальная схема устройства показана ниже:
Устройство представлено коленчатым звуководом, согнутым под углом в 135° (или «волноводом», если в широком смысле, так как они не ограничиваются только собственно звуком), и позиционируют это устройство в том числе и как решение для одностороннего пропускания волн в жидких средах.
Работает оно следующим образом: на одном из колен волновода располагается небольшой участок так называемой «метаповерхности», представленной бороздками разной глубины, где глубина бороздок растёт по мере приближения к краю пятна падения волны (см. Figure 2, здесь). Основная задача этих бороздок — развернуть волну в обратную сторону.
При этом, что интересно, если посмотреть использованную литературу для исследования и собственно само исследование как таковое, то видно, что на него существенное влияние оказало время, когда оно было произведено (2018-й — год публикации об исследовании, а само исследование было проведено наверняка ещё раньше), таким образом, видно, что там предполагалось механическое изготовление этой метаповерхности, где, несмот��я на это, она отлично* работала.
В отличие от этого времени, сейчас это всё может быть легко изготовлено с помощью фотополимерной 3D-печати.
Таким образом, мы видим структуру, сильно похожую на линзу Френеля: только там идёт такое же использование дискретных областей для концентрации в одной точке, а здесь отличие в том, что концентрация не является целью, и вся конструкция работает на отражение волн в определённом направлении (можно даже сказать, под определённым углом).
*Разработчики заявляют, что подобный коленчатый тоннель, несмотря на свою простоту, представляет собой высокоэффективное устройство, обеспечивающее одностороннее пропускание с показателем, близким к единице, в широком диапазоне частот (5300–19000 Гц), тогда как обратное пропускание приближается к нулю.
Тем не менее, мы видим, что основная проблема этих устройств, если их рассматривать как некие шумоподавители, на тот момент ещё не ушла — габаритность.
И один из основных трендов в этой области в данный момент направлен на миниатюризацию устройств, желательно — крайнюю миниатюризацию.
Под этим подразумевается, в первую очередь, кардинальное уменьшение толщины, потому что именно это сулит большие выгоды в плане изготовления разнообразных тонких плёнок для управления звуком. В рамках этой концепции предполагается создание метаповерхностей «субволновой» толщины — то есть толщина плёнок много тоньше длины волны, которой происходит манипулирование.
Причём, что интересно, пожалуй, один из самых оригинальных путей решения этой проблемы нашла команда разработчиков ещё в 2014 году, когда предложила создать простейшее устройство с поглощением 99,4% (правда только для одной из частот звуковых волн).
Да, это не акустический диод в чистом виде, о котором мы говорим, но, тем не менее, устройство однозначно любопытное в рамках задачи глушения звука.
Устройство простейшее до невозможности: берётся тонкая (0,2 мм) полимерная плёнка, в центре которой располагается грузик, после чего плёнка плотно растягивается на круглой (они так делали в ходе эксперимента, но, полагаю, никто не мешает проделать то же самое и на прямоугольных формах, например, на окне) оправке:
Для работы устройства важно, чтобы за этой плёнкой была полость, заполненная некоторым газом, где, регулируя величину этой полости, степень натяжения мембраны, а также вес грузика, можно добиться резонанса на нужной частоте, где в ходе экспериментов было выявлено, что сложная форма колебаний мембраны, когда центральная часть колеблется с довольно большой амплитудой, а края — с относительно меньшей, на целевой частоте практически полностью (99,4 %) поглощает энергию падающей звуковой волны, переводя её в другие формы (тепловую или, например, электрическую — если устройство предназначено для выработки электроэнергии, где вместо груза взят неодимовый магнитик, колеблющийся в катушке и т. д.).
Сам принцип показывает, что он вполне рабочий и может быть применён для создания как единого устройства, так и массива устройств (как вариант, работающих на разных частотах).
Иногда доходят некоторые обрывочные сведения о лабораторных работах в области создания мультичастотных плёнок, где на одной и той же плёнке изготавливается множество резонаторов с множеством грузиков, работающих с разными частотами. Однако, насколько можно понять, работы в этой области всё ещё не вышли из лабораторий...
К сожалению, на данный момент мне не удалось найти готовых успешных исследований, которые бы достигли больших результатов в широкополосном поглощении звука именно плёнками, поэтому на данный момент, видимо, остаётся только констатировать, что уровень текущих научных достижений позволяет обеспечить реализуемость плюс-мину�� описанных конструкций в той или иной степени: либо относительно механических, либо, без механики, но относительно габаритных, не особо компактных.
Тем не менее, некоторый позитив даёт развитие той же 3D-печати, что, при желании, позволяет реализовывать достаточно сложные формы — например, создание того же самого массива коленчатых волноводов с метаматериалом на одном из колен, который был рассмотрен выше, что ещё совсем недавно было абсолютно нереально.
P.S. Напоследок хочу сказать, что гораздо выше была упомянута такая интересная штука, как фононный кристалл, где созданием слоистых структур можно формировать блокираторы разных частот. Думается, что в области более глубокой разработки этого направления тоже кроются определённые перспективы, потенциально позволяющие создать действительно простое и компактное устройство, состоящее всего лишь из чередующихся слоёв.
© 2026 ООО «МТ ФИНАНС»
