К сожалению современный мир сопряжен с разного рода загрязнением, которое является результатом деятельности человека: экологическое, информационное и даже космическое. Но есть еще один тип «мусора», о котором редко вспоминают, но который отлично знаком жителям больших городов. И имя ему шум. Люди, спешащие по своим делам, машины, снующие туда-сюда, бесконечные стройки и всеми обожаемые соседи, решившие в воскресенье в восемь утра превратить свои стены в швейцарский сыр — все это элементы акустического загрязнения, с которым бороться проблематично, но возможно от него защититься. С этой целью уже многие годы разрабатываются и применяются звукоизоляционные материалы, способные поглощать часть звуков, обеспечивая нас маломальской тишиной. И вот ученые из Бристольского университета (Великобритания) установили, что чешуйки на крыльях мотыльков могут стать основой для нового звукопоглощающего метаматериала. Почему именно мотыльки, в чем особенность их крыльев, и как именно они были применены в создании нового материала? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых. Поехали.
Основа исследования
Ученые отмечают, что характеристики акустического поглотителя зависят от того, как его толщина соотносится с самыми длинными длинами волн, для которых он предназначен. Традиционно в акустических поглотителях использовались пористые и волокнистые материалы для достижения поглощения или перфорированные панели, реализующие настроенную глубину полости. Основными недостатками таких конфигураций является либо несовершенное согласование импеданса с входящей волной, либо необходимость быть большими, с размерами, сравнимыми с целевой длиной волны. Поэтому на более низких частотах эти звукопоглотители должны становиться все более громоздкими, а пористые звукопоглотители эффективны при толщине выше λ/10.
Относительно недавно были разработаны и созданы акустические метаматериалы, обеспечивающие существенное повышение эффективности за счет реализации глубоко субволнового акустического поглощения. На практике акустические поглотители из метаматериалов обычно состоят из периодической сетки настроенных резонаторов с общей толщиной, намного меньшей, чем у рабочей длины волны. Недавние технические достижения в области акустических поглотителей глубокого субволнового диапазона привели к созданию поглотителей, состоящих из структур с размером элемента всего λ/223. Хотя эти метаматериалы обеспечивают сильное низкочастотное поглощение звука при впечатляющем отношении толщины к длине волны, они являются узкополосными, охватывая лишь десятки герц вокруг своей рабочей частоты. В противовес этому были созданы другие низкочастотные (50–400 Гц) метаматериалы, которые функционируют в более широкой полосе пропускания (примерно одна октава), однако они имеют большее отношение толщины к длине волны от λ/8 до λ/45. Другими словами, решение одной проблемы приводило к возникновению другой, и наоборот.
Изначально считалось, что метаматериалы в природе отсутствуют. Однако эволюция, как и всегда, показала, что для достижения желаемой цели (а именно выживания) у некоторых видов могут развиться органы, наделенные свойствами метаматериалов.
Самое внушительное количество примеров природных метаматериалов можно встретить в отряде чешуекрылых (бабочки и мотыльки): чешуйки на крыльях некоторых бабочек, например Морфо менелай (Morpho menelaus), содержат фотонные кристаллы, которые создают яркую синюю структурную окраску. А некоторые виды шелка мотылька могут отражать и направлять свет с широким диапазоном длин волн.
Morpho menelaus
Как понятно из названия «чешуекрылые», крылья мотыльков и бабочек покрыты множеством мелких чешуек, расположенных на крыле в определенной конфигурации (словно черепица на крыше дома). Анализ акустических свойств чешуек показал, что они способны поглощать звук при очень низком отношении толщины к длине волны (приблизительно λ/100).
Крылья мотыльков покрыты чешуйками разного размера, каждая из которых обладает своей резонансной частотой, т. е. каждая чешуйка поглощает звук на частоте своих основных резонансных мод. Когда мембрану покрывает множество чешуек разного размера и, следовательно, резонансных частот, возникает широкополосное акустическое поглощение в глубоком субволновом режиме.
Ранее исследования чешуек мотыльков оценивали поглощение, когда мембрана крыла и соответствующие чешуйки были окружены воздухом. Другими словами, как в естественной среде. Акустическое поглощение крыльев позволяет мотылькам лучше маскироваться, дабы избежать столь нежелательной встречи с хищником, полагающимся на эхолокацию, т. е. с летучей мышью.
В рассматриваемом нами сегодня труде ученые изучили звукопоглощающие способности крыльев мотылька, когда они помещены на акустически отражающую подложку. Таким образом, ученые исследовали их эффективность в качестве звукопоглощающей метаповерхности.
Подготовка к опытам
Для опытов были использованы куколки Китайской дубовой павлиноглазки (Antheraea pernyi), которые содержали в камере с регулируемой температурой (от 25°C до 30°C), влажностью (70%) и стандартным циклом дня и ночи 12/12. После вылупления особи замораживались при температуре -18°C. Из центра одного переднего крыла (1а) каждой особи пробивали один круговой срез с помощью биопсийного штампа диаметром 8 мм. Эти круглые образцы крыла были использованы для дальнейшего анализа.
Изображение №1
Для характеризации отдельных чешуек и оценки их расположения на образце крыла использовалась сканирующая электронная микроскопия (СЭМ). Образцы крыльев крепились на клейкие углеродные крепежи и покрывались 5 нм золота. Образцы визуализировали как в режиме высокого вакуума с использованием детектора SE1, так и в режиме переменного давления с использованием детектора VPSE G3. Использовались приложенные электроны высокого напряжения 15–20 кВ с зондом 50–100 пА и диапазоном увеличения от ×250 до ×5000.
Морфология отдельных базовых (нижележащих) и покровных чешуек (по 5 штук обоих типов для каждого из 5 образцов крыльев) характеризовалась шестью параметрами: длина чешуйки (от основания до конца), ширина чешуйки (наибольшая ширина, измеренная перпендикулярно длинной оси), соотношение сторон (длина, деленная на ширину). Микроструктура чешуйки состоит из параллельных продольных гребней, соединенных поперечными ребрами, которые характеризуются «межгребневым расстоянием» и «поперечным реберным расстоянием». Наконец, «толщина слоя» для вентральной и дорсальной поверхностей и нижележащей чешуйки, а также покровной чешуйки.
Затем в полубезэховой одностенной аудиометрической комнате размерами 2.9×2.7×2.3 м проводились измерения отражения звука. Измерительная установка состояла из ультразвукового микрофона диаметром 6.4 мм со снятой защитной сеткой, предусилителя, источника питания и изготовленного на заказ кольцеобразного громкоговорителя из электретной фольги, управляемого высоковольтным усилителем.
Микрофон располагался в центральном круглом отверстии кольцевого динамика, причем мембраны динамика и микрофона находились в одной плоскости, направленной на акустический центр установки с расстояния 30 см (1а). Таким образом, акустические оси микрофона и динамика были соосными.
Образец размещался в центре установки на подставке (75×70×25 мм) из поглощающей ультразвук пены, не отражающей звук во всем тестируемом диапазоне частот. Лазерный уровень с перекрестными линиями использовался для выравнивания центра объекта с акустическим центром установки, чтобы обеспечить согласованность между размещением образцов (1b).
На образцы воздействовали акустически от 250 до 15 кГц в течение 10 мс. Воспроизведение и запись были синхронизированы сэмплами с одинаковой частотой дискретизации и разрешением. Записанные эхо преобразовывались в импульсные характеристики с помощью формирования импульсов комплексным спектральным разделением с эхо-сигналом, записанным перпендикулярно от металлической пластины размером 50×70 см (калибровочная мишень).
Измерения эхо-сигнала были взяты с круглого алюминиевого диска диаметром 8 мм либо самого по себе, либо покрытого образцом крыла того же размера и формы (n = 5). Каждый образец крыла на диске подвергался ультразвуковой обработке сначала дорсальной поверхностью, обращенной вверх в сторону падающего звука, а затем вентральной поверхностью, обращенной вверх (интактные обработки). Затем все чешуйки на дорсальной стороне образца крыла были удалены, и были сняты те же дорсальные и вентральные измерения. Затем все чешуйки на вентральной поверхности были удалены, оставив только мембрану крыла, и снова были проведены дорсальные и вентральные измерения.
Это привело к шести различным измерениям (1c):
- интактный образец, акустическое воздействие на дорсальную поверхность;
- интактный образец, акустическое воздействие на вентральную поверхность;
- дорсальная сторона без чешуек, акустическое воздействие на дорсальную поверхность;
- дорсальная сторона без чешуек, акустическое воздействие на вентральную поверхность;
- обе стороны без чешуек, акустическое воздействие на дорсальную поверхность;
- обе стороны без чешуек, акустическое воздействие на вентральную поверхность.
Когда оголенная поверхность должна была соприкасаться с металлическим диском (т.е. измерения IV, V и VI), капля воды использовалась для герметизации мембраны на металлическом диске, чтобы гарантировать, что под мембраной не останется воздуха.
Для измерения направленности отражения образца измерительная установка была размещена на управляемом компьютером поворотном столе, позволяющем акустически обрабатывать и измерять эхо объекта, расположенного в акустическом центре установки при различных углах падения звука (1b). Были измерены эхо-сигналы от 80° в обе стороны (от -80° до +80°) от направления нормального падения звука (0°) с шагом 0.5°. Затем импульсные характеристики, полученные со всех этих направлений, были преобразованы в томографическое изображение образца с помощью обратного преобразования Радона.
В дополнение к фактическим наблюдениям были созданы две модели методом конечных элементов (МКЭ), которые соответствовали эмпирическим данным. Были построены трехмерные МКЭ-модели упрощенных чешуек на мембране крыла с целью количественного воссоздания измеренных коэффициентов отражения (RC от reflection coefficient) звука.
Изображение №2
Для моделирования нормального падения звука элементарная ячейка модели содержала одну чешуйку, представляющую либо дорсальную нижележащую чешуйку (такие чешуйки образуют слой, ближайший к мембране; отмечены розовым на 2а), либо дорсальную покровную чешуйку (такие чешуйки перекрывают нижележащие и образуют верхние слои; отмечены желтым на 2а). На боковых стенках были реализованы периодические граничные условия для расширения элементарной ячейки в бесконечный двумерный массив. Фоновые акустические плоские волны падали с направления, нормального к массиву, чтобы имитировать эхо-записи от нормального падения звука.
Коэффициент отражения рассчитывали путем деления интенсивности рассеянной волны, направленной обратно в направлении падения звука (обратного рассеяния), на интенсивность входной волны. Эти расчеты были выполнены в различных конфигурациях чешуек, аналогичным списку выше.
Также была построена вторая модель массива чешуек для расчета направленности отражения. Модель содержала один ряд чешуек длиной 8 мм со средними размерами, заключенными в дисковидную воздушную область. Периодические границы использовались для расширения модели до бесконечного двумерного массива. Следовательно, модель представляла собой не 8-миллиметровый диск, а 8-миллиметровую полосу. Падающая волна снова представляла собой фоновую плоскую волну, падающую от -90° до +90°, где 0° соответствует нормальному падению звука. Направленность отражения рассчитывалась от -90° до +90° над массивом с шагом в 1°.
Результаты исследования
С точки зрения морфологии обе поверхности крыла имели нижний слой из более коротких нижележащих чешуек, покрытых слоем удлиненных покрывающих чешуек (2a). Общая толщина слоя составляла 663.79 ± 51.24 мкм, что соответствует на частоте 20 кГц отношению толщины поглотителя к длине волны, равному 1/26 для всего неповрежденного крыла и 1/50, когда дорсальные чешуйки удалены.
Изображение №3
Первым делом ученые измерили спектральные отражения звука, когда дорсальная поверхность образца крыла обращена к падающему звуку при нормальном падении звука. Наличие образца крыла на металлическом диске снижало силу цели (акустический размер) в зависимости от обработки и от частоты:
- неповрежденные образцы — спектральный акустический размер варьировался от -11.3 дБ до -22.2 дБ, что значительно ниже, чем у диска без дополнительного покрытия (от -5.2 дБ до -16.6 дБ) на всех частотах (20-160 кГц);
- дорсальная сторона без чешуек — наблюдалось аналогичное снижение акустического размера по сравнению с диском с -9.5 дБ до -21.2 дБ;
- обе стороны без чешуек — не было никаких существенных различий в акустическом размере на более низких частотах (менее 35 кГц), но показатель был на 0.7-2.3 дБ ниже, чем для чистого диска на более высоких частотах (3a).
Соответствующий коэффициент отражения металлического диска, покрытого образцом неповрежденного крыла, составлял 0.27 при 20 кГц (общая толщина слоя/λ = 1/26) и колебался от 0.18 до 0.3.
Добавление на диск интактного крыла уменьшило коэффициент отражения значительно больше, чем добавление крыла без чешуек с обеих сторон во всем измеренном диапазоне частот (0.67-0.98). Использования крыла с удаленным одним слоем чешуек (дорсальным) привело к незначительному увеличению коэффициента отражения (0.27-0.41; толщина дорсального слоя/λ = 1/50) по сравнению с интактным образцом по всему частотному спектру (3c).
Когда на образцы воздействовали акустически так, что их вентральная поверхность была обращена к падающему звуку, спектральный акустический размер интактного образца составлял от -8.8 дБ до -26 дБ, что значительно ниже, чем у чистого диска (от -5.2 дБ до -16.6 дБ) на всех тестируемых частотах (20-160 кГц).
Образец с удаленными чешуйками на дорсальной стороне имел значительно больший акустический размер (от -7.8 дБ до -17 дБ) по сравнению с интактным образцом на всех протестированных частотах, но имел значительно меньший акустический размер, чем чистый диск, на частотах выше 37 кГц (0.4-2.7 дБ).
Образцы без чешуек на обеих сторонах не показали существенных различий в акустическом размере на более низких частотах (менее 42 кГц), но на более высоких частотах показатель был на 0.5-2.1 дБ ниже, чем у чистого диска (3b).
Соответствующий спектральный коэффициент отражения диска, покрытого интактным крылом, опять же был значительно ниже, чем в случае применения крыла без чешуек на дорсальной стороне или на обеих сторонах (0.13 при 20 кГц; общая толщина слоя/λ = 1/26). Когда акустическое воздействие было вентральным, то не было никакой разницы в показателях между образцом без чешуек полностью и образцом без чешуек на дорсальной стороне (3d).
Далее ученые решили установить влияние толщины нижележащих и покрывающих чешуек на коэффициент отражения.
Изображение №4
Численное моделирование дорсально акустически обработанных интактных и без чешуек на дорсальной стороне образцов показало две области поглощения звука, которые соответствует частотам двух резонансных мод нижележащих чешуек (4а).
Любопытно и то, что образец без дорсальных чешуек, обработанный вентрально, показал 100% отражение на всех частотах, как и полностью лишенный чешуек образец (4b).
Интактный образец и образец без дорсальных чешуек, обработанные дорсально, показали падение коэффициента отражения. А вот «голые» образцы и образцы без дорсальных чешуек, обработанные вентрально, показали полное отражение на всех частотах (RC = 1). Было выявлено, что снижение RC было более выраженным для покрывающих чешуек, чем для нижележащих.
Чтобы лучше понять наблюдаемый эффект того, что добавление крыла без дорсальных чешуек на металлический диск резко изменило его акустические свойства, ученые создали модель, в которой присутствовал воздушный зазор под крылом.
Изображение №5
Было установлено, что значения коэффициента отражения действительно крайне восприимчивы к толщине и глубине воздушного зазора (график выше). Увеличение воздушного зазора (0, 20, 50 и 350 мкм), по-видимому, сместило поглощение в сторону более низких частот. Эти наблюдения дополнительно подтверждают, что поглощение звука обусловлено наличием чешуек.
Изображение №6
На низких ультразвуковых частотах (20 кГц) снижение акустического размера посредством применения интактного образца, обработанного на дорсальной стороне, носит разнонаправленный характер со значительным снижением акустического размера при углах падения звука от -45° до +54° (6а).
По мере увеличения частоты влияние на акустический размер становится более направленным, при этом значительное снижение размера охватывает от -20° до +20° на частоте 60 кГц и от -8° до +11° на частоте 100 кГц (6b и 6c).
Вдали от нормального падения звука и на более высоких частотах образец с интактным крылом часто демонстрировал более высокое значение акустического размера, чем чистый металлический диск. Когда те же интактные образцы были обработаны ультразвуком на их вентральной поверхности, акустический размер значительно снизилась с -67° до +55° при 20 кГц, от -11° до +22° при 60 кГц и от -10° до +17° при 100 кГц. При использовании образцов без дорсальных чешуек и при обработке их дорсальной стороны значительное снижение акустического размера отхватывало углы от -52° до +38° при 20 кГц, от -25° до +22° при 60 кГц и от -2° до +12° при 100 кГц (6d—6f).
Однако те же образцы, но с вентральной обработкой, не показали снижения акустического размера на частоте 20 кГц под любым углом (6g), в то время как наблюдалось резкое, но небольшое снижение с -24° до +12° на частоте 60 кГц и от -19° до +12° на частоте 100 кГц (6h, 6i).
Голые образцы (вообще без чешуек) не показали разницы в акустическом размере на частоте 20 кГц (6j). При этом наблюдалось значительное, но биологически бессмысленное (менее 1 дБ) снижение в диапазоне от -22° до +15° при 60 кГц и от -18 ° до +15 ° при 100 кГц (6k, 6l).
Чтобы исследовать, могут ли наблюдаемые направления отражения быть продуктом резонансов слоя чешуек, ученые создали модель, соответствующую размерам эмпирических измерений.
Поскольку чешуйки в модели идентичны друг другу, эта модель действительна только для резонансных частот этой элементарной ячейки при 64 кГц. Поэтому ученые сравнили выходные данные модели с измеренной направленностью удара крыла на этой частоте.
Изображение №7
Направленность на изображении выше показывает измеренное и смоделированное (на резонансной частоте) акустическое влияние слоя чешуек на отражения звука от металлического диска. Оба варианта показывают снижение акустического размера для основного отражающего «лепестка», но не для каких-либо боковых. Смоделированная и измеренная ширина (±22.5°) и величина эффекта (измеренная −6 дБ; смоделированная −5 дБ) основного лепестка отражения очень похожи. Это подтверждает правильность исследованного подхода к моделированию и показывает, что механизм резонансного поглощения может создавать наблюдаемые направления отражения.
Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых и дополнительные материалы к нему.
Эпилог
В рассмотренном нами сегодня труде ученые детально изучили акустические свойства крыльев мотыльков. Будучи добычей для летучих мышей, обладающих эхолокацией, мотыльки всячески стараются быть максимально незаметными для голодного хищника. В этом им помогают чешуйки, покрывающие их крылья.
Ученые установили, что крылья мотыльков действительно являются отличным звукопоглотителем, поглощая примерно 87% входящей звуковой энергии. При этом данный эффект охватывает широкий диапазон частот и углов падения звука.
В проведенных опытах ученые использовали металлический диск, который отлично отражает звук. Затем они нанесли на него образец крыла мотылька (с полным набором чешуек или без дорсальных/вентральных чешуек) и измерили коэффициент отражения полученной комбинации. Оказалось, что тонкого слоя чешуек достаточно, чтобы радикально изменить акустические свойства металлического диска.
Одним из важнейших аспектов данного наблюдения, как говорят сами ученые, является факт того, что столько сильное поглощение звука осуществляется посредством столь тонкого материала, т. е. чешуек.
Учитывая это, существует вполне реальная перспектива воссоздания морфологии крыла мотылька для реализации ультратонкой звукоизоляции, что будет очень полезно в условиях растущей урбанизации. Кроме того, более тонкие звукоизоляционные материалы, примененные в авиа- и машиностроении, будут способствовать снижению веса транспорта, тем самым снижая затраты топлива и выбросы CO2.
Чешуйки мотыльков отлично подходят для работы с ультразвуком, а потому необходимо разработать систему для более низких частот, сохранив при этом тонкую морфологию крыльев мотыльков.
По словам ученых, если получиться реализовать задуманное, то в будущем для полноценной звукоизоляции помещения будет достаточно использовать специальные обои, созданные с применением знаний, полученных в данном исследовании.
Немного рекламы
Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).
Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Maincubes Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?
