Жидкая пена может блокировать звук
 Изображение исследовавшейся пены под микроскопом. (кликните картинку для увеличения) |
|
||||||||
Жидкие пены активно используются в промышленности, в частности, при ликвидации последствий аварийных разливов нефти, а также в целом комплексе потребительских продуктов (например, в пене для бритья и взбитых сливках). Известно, что на свойства и поведение пены влияет диапазон размеров и распределение пузырьков. Однако хрупкость и прозрачность пен приводит к тому, что их чрезвычайно сложно изучать.
В рамках своей работы группа ученых из University of Paris-Diderot (Франция) предложила использовать для подобных исследований звуковые волны. Для доказательства применимости методики ученые создали в лаборатории пену при помощи метода двух шприцев (когда воздух, смешанный с нерастворимым газом перфторгексаном, вводится в водный раствор додецилсульфата натрия - поверхностно-активного вещества, которое стабилизирует пузырьки). Образовавшаяся пена имеет пузырьки размером от 15 до 50 мкм, которые существуют приблизительно 90 минут. Далее ученые измерили затухание ультразвуковых импульсов, проходящих через тонкий слой пены между двумя полимерными пленками, расположенными на расстоянии 0,5 мм друг от друга. Целью эксперимента было измерение затухания, в зависимости от размеров пузырьков и частоты ультразвука (от 60 до 600 КГц). Результат, согласно которому пена может полностью блокировать колебания в определенном диапазоне частот, стал полной неожиданностью (в рамках описанного эксперимента блокировался диапазон около 150 КГц при среднем размере пузырька в 35 мкм и около 100 КГц, когда средний размер пузырька увеличивался до 45 мкм).
Способность определенных материалов блокировать передачу колебаний в определенном диапазоне частот впервые была продемонстрирована в 1991 году на примере микроволнового излучения, проходящего через материал с периодическими наноразмерными отверстиями. В этой структуре (известной теперь, как фотонный кристалл), отраженные сигналы, распространяющиеся по разным направлениям, полностью блокируют передачу на определенных частотах. За прошедшие годы исследователи весьма преуспели в развитии данного направления, в частности, создали аналогичным образом сконструированные метаматериалы для звуковых волн. Однако ранее подобные эффекты не наблюдались в акустическом метаматериале с непериодической структурой, таком, как пена.
Надо отметить, что коллеги ученых из другого научного института не так давно показали, что ряд тонких пленок, размещенных внутри трубки, выступают в роли метаматериала, сильно ослабляющего звуковые волны в пределах некоторого ограниченного частотного диапазона. На основе опубликованной тогда работы для объяснения собственных результатов группа французских ученых разработала математическую модель явления. В рамках модели они представили систему, как набор тонких гибких пленок, натянутых на «стопку» жестких колец и образующих некую клеточную структуру. Эта система представляет собой «колонну», вырезанную из пены – пленка имитирует границы между пузырьками, в то время, как кольца выполняют роль жидкостных каналов, формирующихся в точках соприкосновения нескольких пузырьков.
Команда проанализировала прохождение звуковых волн через разработанную систему. Выяснилось, что при самых низких частотах, кольца и пленки двигаются синхронно со звуковыми волнами. При повышении частоты более массивные кольца начинают отставать, в то время как пленки, чье поведение определяется эластичностью, а не инерцией, все еще следуют «в такт» звуку. В конце концов, пленки и кольца настолько рассинхронизируются, что основная часть массы в модели начинает двигаться в противофазе относительно звуковых волн, поэтому звук не передается. На более высоких частотах пленки по-прежнему продолжают «гнаться» за частотой, но в игру вступает их инерция, таким образом, пленки и кольца снова движутся в фазе, и звук распространяется через материал.
Подробные результаты работы опубликованы в журнале Physical Review Letters. В ближайшей перспективе ученые планируют изучить аналогичные характеристики более прочных пен из эластичных материалов, дабы определить, насколько выявленные свойства будут полезны в будущем при создании звуковых барьеров.
Также по теме:
- Группа ученых сосредоточила внимание на том, как распространяются звуковые волны в земле
- Ученые нашли способ усовершенствовать техники фотоакустического медицинского отображения
- Модель броуновского движения помогает лучше понять поведение животных
- Динамики из графена могут конкурировать с коммерческими аналогами
- Лучший способ заглянуть под землю
Источники: