Использование связи нормальных и сдвиговых деформаций в метапреградах для контроля подводного шума на глубоко субволновом уровне

Почему тихие океаны важны

Шум, создаваемый человеком в океанах, становится громче по мере строительства прибрежных и морских ветропарков, роста морских перевозок и расширения военной и промышленной деятельности. Многие морские животные зависят от звука так же, как мы — от зрения: с его помощью они находят пищу, общаются и ориентируются. В этой статье рассматривается новый тип ультратонкой подводной стенки, называемой метапреградой, которая способна блокировать широкий диапазон низкочастотного шума, не занимая много места, и может стать способом лучше защищать морскую жизнь.

Ограничения современных подводных шумозащит

Существующие средства контроля подводного шума обычно громоздки, узкополосны или сложны в эксплуатации на море. Некоторые конструкции поглощают звук с помощью мягких пластиков с крошечными полостями или резонаторами, но они часто эффективны лишь в среднем и высоком диапазонах частот и теряют эффективность на глубоких низких тонах, наиболее вредных для морских млекопитающих. Другие пытаются отражать звук с помощью жестких корпусов или занавесов из воздушных пузырьков, что требует больших конструкций, затрат энергии и тщательного контроля размера пузырьков. Эти системы особенно плохо работают ниже примерно 1 кГц, где сосредоточена большая часть промышленного шума, и их работа может нарушаться при изменениях давления и океанических течениях.

Новый способ «обмануть» звук в тонкой стенке

Авторы предлагают принципиально иную стратегию на основе архитектурных материалов — твердых тел, построенных из повторяющихся мелких структур. Вместо использования множества отдельных резонаторов они проектируют повторяющийся элемент, внутренняя геометрия которого вызывает сильное взаимодействие между нормальными сжимающими движениями и боковыми сдвиговыми движениями внутри твердого тела. Эта связь нормального и сдвигового типов деформации выражается одним безразмерным числом, которое приближается к единице при очень сильной связи. Тщательно формируя элементарную ячейку так, чтобы этот параметр оказался близок к верхнему пределу, преграда заставляет входящие акустические волны в воде возбуждать сложные смешанные движения, которые плохо передают звук через материал.

Проектирование метапреграды с нуля

Чтобы найти эффективную геометрию, исследователи используют топологическую оптимизацию — численный метод поиска, который добавляет или удаляет материал внутри небольшой квадратной ячейки до тех пор, пока не будет максимизировано целевое свойство. Здесь целью является усиление связи нормальных и сдвиговых деформаций, а поиск проводится в статическом пределе, то есть им требуются только эффективные упругие свойства твердого тела, а не акустические свойства воды. Найдя перспективную форму из стандартного пластика, пригодного для 3D-печати, они сглаживают её и анализируют распространение волн через цепочку таких ячеек. Диаграммы дисперсии показывают, что хотя оптимизация велась при нулевой частоте, конструкция обеспечивает смешанные продольные и поперечные движения в широком диапазоне подводных слышимых частот.

Насколько тонкая стенка блокирует подводный звук

При моделировании метапреграды, погружённой в воду, результаты показывают сильное уменьшение передачи звука в широком диапазоне. Одна ячейка толщиной 10 миллиметров может давать примерно 29 децибел ослабления около 2 кГц, несмотря на то, что её толщина примерно в семьдесят раз меньше длины волны звука в воде. Укладка трёх ячеек для получения барьера толщиной 30 миллиметров даёт пики, приближающиеся к 90 децибел, при этом общая толщина остаётся значительно меньше длины волны. Ниже 1 кГц преграда обеспечивает полезное снижение порядка 20–30 децибел. Авторы также изучают, как меняется эффективность в зависимости от толщины, угла падения звука и наличия высокочастотных эффектов, таких как дифракция по Брэггу, и показывают, что основное низкочастотное поведение определяется сконструированной связью внутри материала.

Практическое применение в реальном океане

Реальные подводные преграды должны выдерживать сильное статическое давление на глубине, не деформируясь слишком сильно и не теряя рабочих свойств. Команда проверяет это численно, добавляя тонкие твёрдые облицовки с обеих сторон трёхъячеечного барьера и применяя гидростатическое давление, эквивалентное 50 метрам воды. Эти облицовки значительно снижают пиковые напряжения, лишь слегка смещая частоты, в которых преграда эффективна. Затем они сгибают ячейки в кольцо вокруг точечного источника шума и моделируют квадратный участок океана с поглощающими краями. В этой конфигурации метапреграда сокращает передаваемую акустическую энергию примерно на 98 процентов для короткого импульса с центром на 500 Гц, что указывает на возможность защиты чувствительных зон, таких как места размножения и области с оборудованием.

Что это значит для более тихих морей

Исследование показывает, что, управляя связью между разными видами внутренних движений материала, можно создать очень тонкие подводные стенки, отражающие широкий спектр низкочастотного шума. Вместо опоры на тяжёлые конструкции или активные системы, требующие энергии, эти пассивные метапреграды используют только геометрию для создания экстремального несоответствия между материалом и водой, возвращая большую часть звука к источнику. Хотя необходимы дальнейшие испытания полноразмерных прототипов в естественных водах, подход указывает на компактные и надёжные шумозащитные решения, которые могут снизить акустический след человеческой деятельности в океане.

Цитирование: Dal Poggetto, V.F., Miniaci, M. Harnessing normal-shear coupling in metabarriers for deep sub-wavelength underwater noise control. npj Acoust. 2, 20 (2026). https://doi.org/10.1038/s44384-026-00056-7

Ключевые слова: подводный шум, акустические метаматериалы, подавление передачи звука, морские экосистемы, конструкция метапреграды