Фононные кристаллы и акустические метаматериалы
Прежде чем переходить к описанию конкретных примеров, нужно рассказать про два общих метода, с помощью которых удается заставить среду играть активную роль в управлении потоками звуковых волн. Главная идея — это пропускать звук через материал с регулярно чередующимися механическими свойствами. Эта регулярность может быть строго периодическая, либо периодическая, но с модуляцией, но главное, чтобы период чередования был маленьким. Если он сравним с длиной звуковой волны, получается фононный кристалл, если много меньше ее, структура называется акустический метаматериал.
Одно-, дву- и трехмерные периодические структуры с чередующимися упругими свойствами являются основой для фононики.
Фононный кристалл — это одно-, дву- или трехмерная периодическая структура, в которой шаг чередования сопоставим с длиной волны. Самый простой вариант — это периодическая слойка из двух материалов с разными упругими свойствами. Границы раздела между слоями резкие, поэтому звуковая волна хорошо отражается от них. Однако таких границ раздела очень много, поэтому отражения и многократные переотражения от всех границ интерферируют, то есть накладываются друг на друга. И вот это кардинальным образом сказывается на распространении звуковой волны сквозь такую периодическую структуру.
В однородном материале закон дисперсии примерно линеен — длина волны примерно пропорциональна периоду колебания; коэффициент пропорциональности (скорость волны) практически постоянен для самых разных длин волн. В фононном кристалле эта зависимость становится сильно нелинейной, а значит, скорость звуковой волны резко зависит от длины волны. Более того, в спектре фононов появляется «запрещенная зона» частот. Если попытаться в кристалл запустить звуковую волну с частотой, попадающей в эту зону, то она попросту не сможет в кристалл пролезть: частично отразится, а частично затухнет на глубине в несколько длин волн. Таким образом, кристалл не только меняет закон распространения звука, но и намертво заглушает его в определенном диапазоне частот. Этими свойствами фононный кристалл очень напоминает обычный кристалл с его разрешенными и запрещенными зонами для электронов проводимости, а также фотонный кристалл — периодическую структуру из прозрачных слоев, которая блокирует свет в некотором диапазоне частот.
Акустический метаматериал — это тоже периодическая структура из материалов с разными упругими свойствами, но только шаг чередования здесь намного меньше длины волны. Из-за этого звуковая волна распространяется так, словно она и не чувствует уже отдельных границ раздела, а вместо этого ощущает некую однородную «метасреду» с необычными упругими свойствами, которые можно настраивать. Отражения волна уже не испытывает, зато она может изгибаться, отклоняться или просто обладать странным законом дисперсии.
я что-то не знаю, куда это пристроить)
нихуясебе мать тебя забрало))) в науку ударилась
чес слово сам даже не знаю куда это пристроить