Pozor! Používáte zastaralý prohlížeč, stránka se nemusí zobrazovat správně. Aktualizujte jej a zlepšete tak svůj uživatelský zážitek.

Matfyz.cz

Aktualita z fyziky: Nové zařízení usnadňuje odposlech podvodních zvuků

Běžně se z vody do vzduchu dostane jen pouhá jedna desetina procenta zvukové energie

Japonští a korejští fyzici vyvinuli nový typ metapovrchu, který zesiluje přenos zvuku z vody do vzduchu a je podstatně tenčí než vlnová délka přenášeného zvukového signálu. Zařízení by mohlo vylepšit komunikaci a také pomoci při studiu podmořského světa.

Za normálních podmínek se z vody do vzduchu dostane jen pouhá jedna desetina procenta zvukové energie. Zvuk šířený pod vodou se téměř úplně odráží od rozhraní voda–vzduch. V současnosti se k monitorování zvuků pod vodou používají podvodní piezoelektrické převodníky. Ty však mají jednu zásadní nevýhodu, jsou totiž asi tisíckrát méně citlivé než kondenzátorové mikrofony používané na vzduchu.

K odrazu zvukových vln od hladiny dochází proto, že akustická impedance vody je přibližně 3600krát větší než akustická impedance vzduchu. Maximální přenos zvuku mezi těmito dvěma prostředími vyžaduje, aby obě impedance měly stejnou hodnotu.

Množství zvuku procházejícího rozhraním je však možné zvýšit pomocí mezilehlé vrstvy materiálu, která má hodnotu impedance mezi hodnotou pro vodu a hodnotou pro vzduch. Takový materiál je však velmi těžké vyrobit. Mezilehlá vrstva by navíc měla mít tloušťku srovnatelnou s vlnovou délkou zvuku, která se pohybuje v desítkách centimetrů.

Fyzici z Yonsei University v Koreji a z Hokkaido University v Japonsku teď vytvořili akustický metapovrch, který přenos zvuku dokáže zvýšit, a navíc je mnohem tenčí než vlnová délka přenášeného zvuku. Tento metapovrch je jako zátěžový membránový rezonátor, tedy zařízení, které se dříve používalo k vytváření pohlcovačů zvuku a systémů pro shromažďování akustické energie.

Rezonátor je složen z membrány, která je napnutá na válcové kostře o průměru 24 mm. Ve středu membrány je umístěná zátěž o hmotnosti 60 mg a průměru 7 mm. Takto zatížená membrána je umístěna ve válcovém vlnovodu s vodou na jedné straně a vzduchem na straně druhé. Zatížená membrána pracuje na té straně vlnovodu, na které je vzduch, a je umístěna několik milimetrů od vody na druhé straně nezatížené membrány.

Když zvukové vlny o frekvenci přibližně 700 Hz, což je střední zvuková frekvence, narazí do dvojité membránové struktury, přibližně jedna třetina akustického výkonu se přenese do vzduchu. To je přibližně 160krát víc než na normálním rozhraní voda–vzduch. Pozoruhodné je, že tloušťka této dvojité struktury, která je pouhých 5 mm, je stokrát menší než vlnová délka zvukových vln na střední zvukové frekvenci 700 Hz.

Fyzici věří, že vylepšená verze jejich zařízení by mohla v budoucnu usnadnit komunikaci mezi lidmi ve vodě a na souši a pomoci s detekcí zvuků z podmořského svě­ta.

Původní práce byla uveřejněna ve Physical Review Letters.


Mohlo by vás zajímat:

Zemětřesení a les jako přírodní metamateriál
Vodní plášť ruší turbulence
Casimirova síla uvnitř mikrosvěta
TOP 10 fyziky roku 2017

Kompletní archiv Aktualit z fyziky

Další obrázky
comments powered by Disqus

Matfyz.cz

Univerzita Karlova
Matematicko-fyzikální fakulta
Ke Karlovu 3
121 16  Praha 2
IČ: 00216208
DIČ: CZ00216208
web fakulty
studuj na Matfyzu
e-shop