Из школьной физики и химии известно, что, например, алмаз состоит из атомов углерода, упорядоченных определенным образом, благодаря чему он является одним из самых твердых веществ. Однако, упорядоченные иным образом атомы того же углерода превращаются в хрупкий графит.

Значит, конкретный способ упорядочивания элементов оказывает существенное влияние на результирующие свойства.

Фото с алмазом и графитом

Эти вопросы легли в основу исследований, которые привели нас к рождению новой технологии шумоподавления.

Для ответа на эти вопросы и более детального понимания принципов работы метаматериалов и нашей технологии необходимо обратиться к основам волновой физики.

Здесь оперируют следующими основными понятиями:

1. Колебания – периодически повторяющийся процесс, при котором происходит отклонение объекта от положения равновесия за равные или почти равные промежутки времени.
2. Волна – процесс распространения колебаний в пространстве.
3. Частота волны – характеристика волны, обратная времени. Показывает, сколько раз в единицу времени (секунда, час, год и т.д.) происходит тот или иной процесс.
4. Фаза волны – величина, описывающая, где именно в своем цикле (пик, спад, увеличение, переход через ноль и т.д.) находится волна.
5. Длина волны – расстояние, которое проходит точка волны за один период.
6. Интерференция – процесс наложения двух и более волн в пространстве, иногда приводящий к их взаимному усилению или ослаблению, в зависимости от частот и фаз этих волн. 
7. Волновой вектор – вектор, показывающий направление распространения волны.
8. Волновое число – модуль волнового вектора, аналог частоты в координатном пространстве. Показывает, как часто в пространстве повторяется одинаковый элемент волнового фронта.
9. Волновой фронт – воображаемая поверхность, на которой расположены точки волны, колеблющиеся синхронно.
10. Плоская волна – частный случай волны, которая имеет плоский волновой фронт. Зачастую, именно такие волны рассматриваются в большинстве задач в качестве падающих на исследуемый объект. Кроме них, часто встречаются сферические и цилиндрические волны, падающие, соответственно, от точечного или протяженного линейного источников.
11. Дисперсионное соотношение – уравнение, связывающее временную и пространственные частоты и определяющее скорость распространения волны. Для плоской волны

Обратимся к метаматериалам как одному из способов управления дисперсионным соотношением. Метаматериал – это структура, состоящая из элементов, размеры которых много меньше длины волны.
В целом, почти любую периодическую структуру можно назвать метаматериалом, вопрос лишь в соотношении размеров элементов этой структуры и длины волны – первое должно быть много меньше второго.
Каждый раз, когда речь заходит о периодичности, первым делом необходимо определить элемент минимального размера, который будет повторяться с помощью различных способов (сдвиг, отражение, вращение, их комбинация и т.д.). Такой элемент принято называть элементарной ячейкой.

Существует так называемая “Теорема Флоке-Блоха”, в которой утверждается, что для полного описания дисперсионного соотношения в периодической системе достаточно описать его поведение в одной элементарной ячейке и периодически его продолжить. В некоторых случаях, например, нашем, решением дисперсионного соотношения является дискретный набор значений частот, соответствующих волновым числам, т.е. частота существует не для любого направления и значения падения волны. Зоны несуществования частот называются запрещенными зонами. На практике это означает, что волна с таким набором частот и волновых векторов не сможет пройти сквозь периодическую структуру совсем, если она бесконечная, или отразится или существенно затухнет, если она квази-(т.е. почти)бесконечная.

Обратимся к рассмотрению механизма работы предлагаемого нами решения с использованием упомянутых выше терминов. Для этого прежде необходимо описать еще один известный физический объект и его свойства – резонатор Гельмгольца. Он представляет собой полость с горлышком и имеет выделенный набор частот, на которых происходит резонанс. Как правило, на практике применяется только первая, самая низкая частота, для которой выведена приблизительная формула ее зависимости от геометрических параметров резонатора (объема полости, длины и ширины горла). Автолюбители знают, что применение резонатора Гельмгольца в глушителях позволяет снизить уровень его шума. Кроме того, такие объекты применяются в настройке музыкальных инструментов и даже присутствуют в убранстве древних православных храмов (т.н. голосники).

В современной физике резонатор Гельмгольца нашел широкое применение в периодических системах для управления характеристиками их отражения и прохождения. В нашем случае в качестве элементарной ячейки используется система из двух идентичных резонаторов, обращенных друг к другу. Вернее, рассматривается двумерный аналог резонатора Гельмгольца, представляющий собой кольцо с разрезом, где характеристиками, влияющими на резонанс, являются площадь внутренней полости, ширина разреза и толщина стенки. В комбинации с идентичным объектом их свойства усиливаются благодаря связи через горла, которая добавляет дополнительную зону непропускания. Благодаря детально подобранным геометрических параметрам каждого элемента и их взаимного расположения, итоговая бесконечная периодическая система имеет несколько запрещенных зон, что, в свою очередь, влечет за собой сильное снижение прохождения в соответствующей квази-периодической системе, за счет чего и достигаются существенные шумоподавляющие характеристики.