Обычные акустические волноводы работают, удерживая звук внутри канала с помощью отражающих границ. Такую систему можно сделать даже из простой полой трубы, но проблема в том, что те же отражающие стенки неизбежно взаимодействуют с любыми звуковыми волнами, которые приходят в трубу не только через ее концы, но и снаружи. Внешние волны рассеиваются на жестких стенках, что создает серьезные проблемы в технологиях, где множество сигнальных каналов должны сосуществовать в непосредственной близости, не мешая друг другу.
Выходом из этого тупика может стать применение метаматериалов. Эти искусственные структуры с повторяющимися элементами, размер которых меньше длины волн, могут демонстрировать свойства, недостижимые для обычных материалов. Тщательная настройка их геометрии позволяет получить акустические характеристики, которые невозможно создать в природных веществах.
Особенно интересен эффект «нулевого показателя преломления», при котором эффективный коэффициент преломления на определенной частоте обращается в ноль. Это делает акустическую длину волны бесконечно большой, обеспечивая почти идеальную передачу сигнала.
Команда ученых под руководством Чанцин Сюй из Нанкинского педагогического университета в Китае спроектировала двумерный массив напечатанных на 3D-принтере элементарных ячеек. Каждая из них содержала две воздушные полости, соединенные сложными спиральными каналами, которые замедляют поток воздуха и позволяют достичь эффекта нулевого показателя преломления в компактной структуре. Настраивая геометрию этих элементов, разработчики согласовали импеданс метаматериала с открытым воздухом, так что внешние волны вообще не встречали отражающей границы.
В экспериментах на рабочей частоте 2,8 килогерца ученые продемонстрировали оба аспекта эффекта туннеля-призрака. Когда звук вводился в устье туннеля, он проходил через него с почти идеальной точностью, оставаясь плотно ограниченным внутри канала. Но когда отдельную звуковую волну направляли на боковую сторону структуры, она проходила сквозь нее, выходя неискаженной с другой стороны, как будто туннеля там вообще не было.
Авторы надеются, что их разработка может преобразовать проектирование гидролокационных систем и акустических схем, в которых постоянной головной болью инженеров является управление перекрестными помехами между сигналами. Кроме того, ученые предполагают, что базовые принципы разработки могут применяться к другим волновым явлениям, в том числе, к электромагнитным и даже электронным системам.
Ранее ученые разработали неинвазивный способ доставки света в любую точку организма.