В данной статье рассмотрены обширные инновационные методы применения различных шумопоглощающих покрытий для инфразвукового и гидроакустического каналов специального мониторинга.
Ключевые слова: Договор о всеобъемлющем запрещении ядерных испытаний, Международная система мониторинга, гидроакустические сигналы, инфразвуковые сигналы, акустические метаматериалы.
В результате целенаправленных усилий нашей страны по долговременному укреплению мира совместно с рядом государств на всем Земном шаре требуются особенные формы контроля за обстановкой в международной политике, которая на данный момент претерпевает резкие изменения из-за нестабильности отношений с рядом отдельных государств, а именно непрекращающимися попытками создания собственных стратегических запасов, включающих в себя ядерное оружие (ЯО), либо атомных станций.
На сегодняшний день человечеством достигнуто понимание о том, что главная роль в современных конфликтах между странами является информационное обеспечение, а именно непрерывный поток всенаправленных данных о потенциальном противнике, для мониторинга его активности, расчета вектора и скорости его развития, определения его истинных целей, в том числе политических.
Все эти факторы создали необходимость разработки и внедрения таких технологических средств, которые позволяют контролировать ядерные испытания. Для этого процесса создан Договор о всеобъемлющем запрещении ядерных испытаний (ДВЗЯИ), который на международном уровне, запрещает производить любого рода ядерные взрывы (ЯВ) и обеспечивать многосторонний мониторинг за геофизической обстановкой на Земном шаре. За счет полного запрета на ядерные испытания Договор призван воспрепятствовать качественному совершенствованию ядерного оружия и положить конец разработке его новых модификаций. Он представляет собой эффективное средство обеспечения ядерного разоружения и нераспространения во всех его аспектах.
Международная система мониторинга (МСМ) представляет собой глобальную сеть объектов, предназначенных для обнаружения возможных ядерных взрывов и получения доказательств их проведения. В завершенном виде МСМ будет насчитывать 321 станцию мониторинга и 16 радионуклидных лабораторий, расположенных по всему миру в местах, предусмотренных ДВЗЯИ (данные CTBTO за 2021 год) [1]. Размещение многих из этих объектов предусмотрено в удаленных и труднодоступных местах, что создает серьезные инженерно-технические и логистические трудности. В МСМ используются технологии мониторинга сейсмических, гидроакустических и инфразвуковых сигналов («волновых форм») для обнаружения и определения местонахождения источника энергии, высвободившейся в результате взрыва (ядерного или неядерного) или природного явления, произошедшего под землей, под водой или в атмосфере.
Акустические волны представляют собой звуковые сигналы очень низкой частоты, которые не воспринимаются человеческим ухом. Такие волны называются инфразвуковыми.
Рис. 1. Пример волновой формы инфразвукового сигнала
Источником инфразвука могут быть разнообразные природные и антропогенные явления. Атмосферные ядерные взрывы и подземные ядерные взрывы, если заряд подрывается на небольшой глубине, способны генерировать инфразвуковые волны, обнаруживаемые с помощью сети станций инфразвукового мониторинга МСМ. Действие инфразвуковых волн вызывает колебания атмосферного давления на микроуровне, которые фиксируются микробарометром. Инфразвук способен преодолевать большие расстояния вследствие малого рассеяния, что и объясняет возможность использования техники инфразвукового мониторинга для установления факта ЯВ и определения его параметров.
Рис. 2. Система акустического усреднения
Помимо этого, так как подземные ЯВ создают также и инфразвуковые волны, применение инфразвуковых и сейсмических технологий в совокупности повышает качество идентификации МСМ возможных подземных испытаний ядерного оружия. Несмотря на то, что инфразвуковые станции МСМ способны работать практически в любых условиях климата и рельефа, начиная от тропических джунглей на экваторе и заканчивая отдельными островами в океане, которые подвержены воздействию ветра с любых направлений и значительным ледяным покровом, идеальной средой для размещения является густая сельва, способная минимизировать воздействие розы ветров, или такие точки на земном шаре, где фоновый шум минимален, что позволяет повысить качество приема звукового сигнала. Инфразвуковая станция МСМ (или группа таких станций), как правило, имеет несколько инфразвуковых приемников, располагаемых на местности в виде тех или иных геометрических фигур, метеорологическую станцию, систему снижения ветровых помех, центральный пункт обработки информации и систему связи для передачи данных.
Рис. 3. Группы датчиков на инфразвуковой станции IS49, Тристан-да-кунья, Соединенное Королевство
Американские инженеры разработали новый способ поглощения звука, который можно использовать в совокупности с системами акустического усреднения для повышения точности обнаружения инфразвуковых сигналов.
Классические шумопоглощающие материалы используются в виде панелей, которые располагаются на пути распространения акустических волн и при взаимодействии с ними гасят звуковую энергию, часть которой при этом преобразуется в тепловую.
В данном случае эффективнее будет применение «дышащего» пластикового кольца, которое ликвидирует влияние до 94 % шумовых помех. Названием выбрали термин «акустический метаматериал». Принцип работы метаматериала основан на таком физическом явлении как «резонанс Фано», который позволяет говорить о том, что при интерференции двух волн их энергия распределяется асимметрично. В результате в одной точке пространства давление звуковой волны достигает максимальных значений, а в другой — понижается практически до нулевых показателей. Такого распределения акустических волн исследователям из Бостонского университета удалось добиться при помощи подбора специальной формы метаматериала. Внутри кольца находится спиралевидный канал, по которому распространяется звуковая волна. Акустические волны в этом канале отражаясь от стенок, вступают в «резонанс Фано» и затухают.
Авторы этой технологии разработали прототип данного устройства, который распечатали на 3D-принтере и разместили на трубе из поливинилхлорида, на другом конце которой при этом расположили динамик. И хотя конец трубы с кольцом оставался открытым более чем на 50 %, проходящий через этот акустический канал звук становился заметно тише.
Рис. 4. Сигнал от трубы из поливинилхлорида (1 — сигнал с трубой, 2 — сигнал при снятии трубы)
Одно из главных достоинств технологии — разнообразие возможных форм «глушителя». Авторы исследования заявляют, что им удалось создать шумопоглощающие панели с квадратным и шестиугольным сечением — материал такой формы предлагают использовать как строительные материалы в виде блоков для звукоизоляции перегородками, состоящими из них. Второе достоинство — низкая себестоимость. Устройство может быть изготовлено из пластика практически любого качества, и оно не требует редких и дорогостоящих материалов. Например, для создания прототипов авторы технологии использовали стандартный для 3D-принтеров АБС-пластик и эпоксидную смолу.
Но при этом у изобретения есть и очевидный недостаток — потребность в индивидуальном расчёте. Каждое устройство разрабатывается под конкретные частоты акустических волн и размеры канала, поэтому создавать универсальные кольца в промышленных масштабах в настоящий момент нет возможности.
Подводя итоги, направление развития акустических метаматериалов продолжает набирать популярность уже на протяжении нескольких лет. Считается, что разработки в сфере акустических метаматериалов расширят возможную область применения звукоизоляции, в том числе для повышения эффективности обнаружения инфразвуковых сигналов.
Литература:
- CTBTO «Ежегодный доклад за 2021 год»
- CTBTO «Наращивание потенциала контроля». Ежегодный доклад за 2019 год, стр. 9,11.
- CTBTO 2009. Международная система мониторинга, стр. 1,2,10.
