Новые материалы и устройства на основе акустических метаструктур

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 25-79-31027

НазваниеНовые материалы и устройства на основе акустических метаструктур

Руководитель Ли Йонг, PhD (признаваемый в РФ)

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет ИТМО" , г Санкт-Петербург

Конкурс №112 - Конкурс 2025 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований под руководством зарубежных ведущих ученых» приоритетного направления деятельности Российского научного фонда «Поддержка проведения научных исследований и развития научных коллективов, занимающих лидирующие позиции в определенных областях науки»

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-110 - Проектирование зданий и сооружений, строительство эксплуатация

Ключевые слова акустика, акустические метаповерхности, акустические сенсоры, шумоподавление, перенаправление звука, неэрмитовы системы, нейроморфные системы, связанные состояния в континууме, резонаторы Гельмгольца

Код ГРНТИ29.37.15

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проект направлен на развитие акустической лаборатории физического факультета Университета ИТМО (https://acoustolab.itmo.ru/ru) и вывод ее на лидирующие позиции в мировой науке. В рамках проекта будут разработаны и созданы новые уникальные акустические материалы и устройства, которые найдут широкое применение в задачах шумоподавления, сбора акустической энергии, управления акустическими полями и изменят представления об материалах для строительной и архитектурной акустики. Проект будет выполняться группой молодых исследователей на базе физического факультета Университета ИТМО (https://physics.itmo.ru/ru), где активные научные работы в этой области ведутся уже более 5 лет. Проект также будет реализовываться в тесном сотрудничестве с Научно-исследовательским институтом строительной физики Российской Академии Архитектуры и Строительных Наук и Акустическим институтом им. Н.Н. Андреева. Профессор Йонг Ли из университета Тунцзи (Шанхай, Китай) — один из ведущих мировых экспертов в области акустики, входит в топ-1% самых цитируемых учёных мира. Он является заместителем директора Комитета по физической акустике Акустического общества Китая и руководил рядом национальных проектов, включая разработку шумопоглощающих обшивок для Boeing. Обладает опытом создания лаборатории мирового уровня с нуля и разработки передового акустического оборудования, не уступающего лучшим мировым аналогам. В рамках проекта будут проводиться как чисто фундаментальные, так и прикладные исследования в области акустики, направленные на создание высокотехнологичной продукции, не имеющей аналогов в мире, и содействие реализации национальных проектов технологического лидерства. Так, в частности, в интересах квалифицированных заказчиков, компаний Албес и ПроВектор, будут созданы уникальные акустические метаматериалы для шумоподавления субволновой толщины, которые будут характеризоваться высоким поглощением в широкой полосе частот в диапазоне от 50 до 3200 Гц и при этом иметь субволновую толщину. Характеристики создаваемых материалов будут превосходить лучшие мировые аналоги как по эффективности поглощения, так и по соотношению массы и толщины к ширине полосы рабочих частот. Кроме того, в рамках проекта будут разработаны новые технологии и подходы для создания устройств автоматизированного акустического мониторинга, детектирования и анализа акустических сигналов, сбора акустической энергии, систем для акустического манипулирования микрообъектами (акустический пинцет), а также будут реализованы системы акустической голографии. В результате выполнения проекта планируется создать устойчивую лабораторию мирового уровня, проводящую передовые научные исследования в области как фундаментальной, так и прикладной акустики. Под устойчивостью понимается как кадровая, так и экономическая. Для этого будет создан полноценный образовательный цикл подготовки исследователей и инженеров в области акустики, начинающийся с работы со школьниками. Будут открыты соответствующие направления подготовки в аспирантуре, магистратуре и бакалавриате. Экономическая устойчивость будет обеспечиваться как за счет привлечения грантового финансирования, так и счет реализации индустриальных проектов, в частности, в интересах квалифицированного заказчика. Коллектив проекта также стремится к укреплению российского научного сообщества и развитию российской научной школы акустики. Для этого на территории Российской Федерации будут организованы школы и конференции международного уровня.

Ожидаемые результаты
В результате выполнения проекта будет получен ряд как фундаментальных, так и прикладных результатов. Часть исследований будет проводиться в интересах квалифицированного заказчика. Прикладные результаты дадут рынку новые технологии и изделия, характеристики которых превосходят мировые аналоги. Фундаментальные результаты позволят существенно развить теорию акустических метаструктур, укрепить научные позиции лаборатории на мировой и российской арене и обеспечат кадрово-экономическую устойчивость и развитие научной школы на базе лаборатории. ПРИКЛАДНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ - Ультратонкий шумопоглотитель для городской и промышленной инфраструктуры. Толщина не превышает 0,15 м, плотность ≤ 12 кг/м²; коэффициент поглощения α ≥ 0,90 во всём диапазоне 50–3200 Гц. Это втрое расширяет рабочую полосу по сравнению с лучшими опубликованными образцами и позволяет снижать эквивалентный уровень шума в среде обитания до ~10 дБА. - Звукопоглощающая обшивка на основе метаматериалов для гондолы авиационного двигателя. Обшивка толщиной до 25 мм, обеспечивающая поглощение α ≥ 0,90 в диапазоне 200–2000 Гц и затухание (insertion loss, то есть разницу в уровне звукового давления или мощности между состоянием без звукопоглощающего элемента и состоянием с установленным элементом) ≥ 20 дБ, что соответствует целевым показателям по снижению шума силовых установок, используемым NASA [https://ntrs.nasa.gov]. - Устройства для сбора и преобразования акустической энергии на основе связанных состояний в континууме. Удельная мощность не менее 10 мВт·см-³ при 90 дБ SPL; рост плотности энергии ≥ 1000 × (+30 дБ) по сравнению с классическими излучателями. Устройство способно питать автономные узлы IIoT без батареек. - Акустический пинцет. Метаповерхность для динамического манипулирования частицами диаметром 50-100 µm с силой ≥ 100 пН и временем перестройки ловушек ≤ 10 мс. Такая система откроет новые методики адресной доставки лекарств и микроманипуляций «lab-on-chip». - Интеллектуальная система акустического оповещения. Локализация импульсного источника с угловой ошибкой ≤ 4° на дистанции 1 км при ложных тревогах < 1 %. Характеристики нашего решения втрое превосходят коммерческие аналоги по угловой ошибке. Такие системы могут существенно повысить безопасность «умных» городов и производств. За счет использования резонансных мета-атомов лабиринтной формы мы сможем добиться 10-кратного увеличения давления внутри структуры, а также увеличить SNR примерно на 15-20 дБ в диапазоне от 50 до 1000 Гц. - Носимый аускультационный сенсор. Гибкий стетоскоп-патч работает непрерывно ≥ 24 ч, охватывает диапазон 20–600 Гц, обеспечивает SNR ≥ 30 дБ и автоматическую диагностику шумов сердца и лёгких с точностью ≥ 95 %. Это удваивает автономность по сравнению с лучшими прототипами и расширяет возможности телемедицины. ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ - Развитие теории неэрмитовых особенностей в акустических структурах. Будет разработана теория, описывающая неэрмитовые особенности в акустических метаструктурах, такие как анаполь (т.е. неизлучающее состояние), дуги Ферми и исключительные точки (EP). Эти особенности позволяют управлять акустическими волнами на уровне микроскопической структуры и обеспечивают возможности для создания новых типов волноводов и резонаторов с уникальными свойствами, в том числе с невзаимным откликом. - Взаимосвязь неэрмитовых эффектов и спектров рассеяния. Будет построена теория, объясняющая взаимосвязь между неэрмитовыми особенностями и спектрами рассеяния в акустических системах. Теория будет показывать, как такие эффекты, как исключительные точки и дуги Ферми, влияют на поведение акустических волн и приводят к появлению резонансных состояний, чувствительных к внешним воздействиям. - Мультипольное разложение для акустических метаструктур. Разработан универсальный мультипольный формализм для определения эффективных параметров акустической поляризуемости и полной S-матрицы акусто-механических метаструктур. Этот подход позволит точно моделировать акустические и механические взаимодействия на всех уровнях структуры и откроет новые возможности для дизайна акустических метаматериалов. - Аналитические модели резонаторов Гельмгольца с деформируемыми стенками. Будет создана теория, позволяющая точно определять резонансные частоты двумерных резонаторов Гельмгольца с учётом изменений формы их стенок и колебаний в этих стенках. Эти модели значительно ускорят процесс проектирования и оптимизации резонаторов для различных приложений. - Теория топологически защищённых неизлучающих краевых состояний. Будет развита теория, описывающая топологически защищённые акустические неизлучающие краевые состояния на границе метаструктур, спектр которых лежит в области континуума волн окружающего пространства. Эти исследования позволят создавать новые типы волноводов и резонаторов с уникальными, защищенными от радиационных потерь состояниями. - Модели для распространения звука в условиях турбулентности и нелинейности. Будет разработана теория для описания распространения многомодовых акустических полей и звукопоглощения в метаструктурах, помещенных в условия сильной турбулентности и нелинейности. Эти модели будут востребованы для описания процессов звукопоглощения в авиационных и промышленных двигателях. Эти фундаментальные результаты значительно расширят существующие знания об акустических метаструктурах и откроют путь к созданию новых, эффективных технологий в области современной акустики, звукоизоляции, энергетических устройств и акустических сенсоров. Создание устойчивой лаборатории мирового уровня. Важно отметить, что в результате выполнения проекта планируется создать устойчивую лабораторию мирового уровня, проводящую передовые научные исследования в области как фундаментальной, так и прикладной акустики. Под устойчивостью понимается как кадровая, так и экономическая. Для этого будет создан полноценный образовательный цикл подготовки исследователей и инженеров в области акустики, начинающийся с работы со школьниками. Будут открыты соответствующие направления подготовки в аспирантуре, магистратуре и бакалавриате, а также организована ежегодная акустическая школа для студентов, аспирантов и молодых ученых. Экономическая устойчивость будет обеспечиваться как за счет привлечения грантового финансирования, так и за счет реализации индустриальных проектов, в частности, в интересах квалифицированного заказчика. Реализация проекта будет способствовать формированию рынка «тихой» инфраструктуры, звукопоглощающих обшивок на основе метаматериалов для авиации, автономных источников энергии и носимых диагностических систем, и тем самым укрепит технологический суверенитет России и улучшит качество жизни населения, а также усилит позиции отечественной акустической школы на мировой арене.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
В рамках этапа 2025 года работы велись по нескольким ключевым направлениям, включая теоретическое моделирование мультипольных свойств метаатомов, анализ и оптимизацию бианизотропных эффектов (так называемой Willis-связи), изучение исключительных точек (EP) и связанных состояний в континууме (ССК), а также разработку методов проектирования низкочастотных поглощающих структур. С помощью теоретико-группового анализа были впервые получены правила отбора для ССК в акустических метаповерхностях, основанных на симметрии структуры. Показано, как нарушение симметрии или введение материальных потерь приводит к вырождению мод в исключительные точки — явление, которое в последние годы активно исследуется в связи с топологической фазой материи. Также были построены модели, позволяющие описать формирование дуг Ферми между исключительными точками и их топологические заряды. Впервые в акустике был экспериментально продемонстрирован эффект Керкера — подавление рассеяния назад за счёт интерференции мультипольных мод. Это открывает путь к созданию акустических устройств с направленным рассеянием, включая метаатомы с нулевым обратным отражением. Разработан метод получения эффективных параметров акустических метаатомов (поляризуемостей, включая Willis-элементы) на основе формализма T-матриц. Новый подход позволяет точно анализировать бианизотропные отклики систем и использовать их для управления волновым фронтом. Проведено параметрическое исследование таких систем и выявлены условия максимизации бианизотропного отклика за счёт асимметрии формы или взаимодействия нескольких частиц. Для одной из задач впервые был построен теоретический протокол топологического транспорта на решётках с дальнодействующими связями, включая акустическую реализацию. Также была предложена схема реализации акустического топологического краевого состояния, устойчивого к радиационным потерям — за счёт симметрийных свойств мод и выбора граничных условий. На прикладном уровне разработаны новые конструкции поглощающих метаповерхностей. В частности, реализована пикселизированная структура, в которой с помощью нейросетевого обратного проектирования рассчитывается оптимальное распределение масс, обеспечивающее нужный спектр поглощения. Экспериментальное подтверждение выполнено с использованием специально собранной установки на основе импедансной трубы. Также разработана широкополосная метаповерхность с металлической сеткой, позволяющая достичь значительного поглощения в широком диапазоне частот. Особое внимание было уделено учету упругих свойств конструкционных материалов метаатомов. Построена расширенная модель акустического взаимодействия, учитывающая колебания стенок, реализованная в среде COMSOL. В результате были объяснены наблюдаемые в экспериментах артефакты (узкие провалы в спектрах рассеяния). Важным направлением стала модернизация и развития экспериментальной базы лаборатории. В течение 2025 года приобретены и частично введены в эксплуатацию ключевые компоненты автоматизированной установки для измерений в квази-двумерной безэховой камере. Завершено изготовление новой импедансной трубы с возможностью настройки геометрии для расширения рабочего диапазона. Приобретено современное измерительное оборудование: микрофоны, усилители, DAQ-системы, генераторы сигналов и осциллографы. Проведенные работы формируют основу для запуска учебной лаборатории по акустике на базе физического факультета ИТМО. Сотрудники лаборатории активно участвовали в международной кооперации. В июне 2025 года состоялась командировка молодых сотрудников и студентов в Университет Тунцзи (г. Шанхай, Китай), где они прошли подготовку в Лаборатории акустических метаматериалов профессора Йонг Ли. Участники ознакомились с работой современных измерительных систем, провели экспериментальные исследования и переняли опыт в обработке акустических данных. В рамках сотрудничества с индустриальным партнёром (компанией «ПроВектор») был подписан договор на ОКР и сформирован план разработки шумозащитного экрана, определены технические требования и составлен календарный план опытно-конструкторских работ. Совместно с партнёром выполнена постановка инженерной задачи, подготовлено техническое задание и согласован состав этапов разработки, включая проведение испытаний и изготовление опытного образца. Одним из важных событий стало проведение в сентябре 2025 года научного воркшопа «Акустика и акустические метаматериалы», организованного на площадке ИТМО. Мероприятие собрало более 50 участников, включая молодых исследователей, аспирантов и приглашённых экспертов из ведущих научных организаций. Воркшоп стал площадкой для презентации результатов проекта, обсуждения подходов к проектированию и экспериментальному исследованию метаструктур, а также установления новых научных контактов. Результаты исследований приняты к публикации в журналах Chinese Physics Letters, JETP Letters (Письма в ЖЭТФ) и Applied Physics Letters. Ссылки на ресурсы: 1) Сайт акустической лаборатории: https://acoustolab.itmo.ru/ 2) Сайт проведенного воркшопа: https://school.acoustics.itmo.ru

Публикации

1. Лебедева Е.С., Мазанов М., Кавокин А.В., Горлач М.А. Quantized topological transport mediated by the long-range couplings Applied Physics Letters (год публикации - 2026)
10.48550/arXiv.2509.13553

2. Лю К., Чжу И., Мэн Ц., Дун Ж., Ван С., Ли Ю. AI-Driven Acoustic Metamaterials for Pixel-Accurate Sound Insulation Control Chinese Physics Letters, Issue 2, 2026 (год публикации - 2026)

3. Тиманкова Ю.А., Смагин М.В., Кузьмин М.В., Лутовинов А.И., Богданов А.А., Ли Ю., Петров М.И. Experimental investigation of Acoustic Kerker Effect in Labyrinthine Resonators JETP Letters, acoustic Kerker effect, labyrinthine resonators, acoustic metamaterials, directional scattering, coiled-space metaatoms, parallel-plate waveguide (год публикации - 2026)
10.48550/arXiv.2511.01141