З вукът може да бъде доста труден за овладяване звяр.
Той изпълва света около нас, избухвайки от множеството си източници и отскачайки от повърхностите като ехо - свойство, което прави звука едновременно невероятно полезен и крайно дразнещ, в зависимост от това къде и как възникват неговите отражения.
Има някои обстоятелства, при които ехото може да създаде проблеми. Най-очевидният пример са звукозаписните студия, но една мащабна проблемна област вероятно е по-малко очевидна, тъй като е далеч по-вездесъща - тръбите.
Учени разгадаха 50-годишна мистерия: Нашата черна дупка не е „счупена“, просто духа слаб бриз
Помислете за вентилацията, климатизацията, индустриалните отводни канали или дори за ВиК инсталациите. Звукът се движи през пространствата, затворени в тези тръби и въздуховоди, и когато срещне препятствие, промяна във формата или затворен край, той може да започне да дрънка и отеква неимоверно.
Сега учени разработиха гениално малко устройство, което може драстично да намали тези отражения, като ефективно „поглъща“ звука.
То се нарича звукова черна дупка, а новият дизайн може да бъде отпечатан на 3D принтер и поставен директно в съществуваща тръба - мащабна крачка напред спрямо конвенционалните дизайни, които изискват черната дупка да бъде вградена в самите тръби.
Как хората са се борили с отлагането преди 100 години – шокиращ метод
„Представете си, че заставате пред въздуховод, който е затворен в далечния си край, и извиквате в него. След кратко забавяне, в зависимост от дължината на въздуховода, бихте чули ехо, връщащо се от края му“, казва пред ScienceAlert инженерът по акустика Ориол Гуаш от университета „Ла Сале“, Universitat Ramon Llull в Испания.
„Ако въздуховодът завършваше със звукова черна дупка, по същество нямаше да чуете никакво ехо. Акустично ще бъде почти така, сякаш тръбата е с безкрайна дължина и няма край, от който звукът да се отрази обратно към вас“, казва Ориол Гуаш.
Черните дупки са най-добре известни като астрофизични обекти - джобове от пространство, толкова плътни, че тяхната гравитация изкривява пространството-време около тях в сферичен хоризонт, от който дори светлината не може да избяга.
Глас от отвъдното: Звукът на 3000 години, който побърка света и отключи легенди
Има много причини, поради които не можем да изучаваме тези обекти отблизо, затова физиците са измислили други методи, създавайки лабораторни аналози, които възпроизвеждат аспекти от поведението на черните дупки, понякога разчитайки на явления, които имат малко общо с гравитацията.
Но „черната дупка“, разработена от Гуаш и колегите му, описана в статия с водещ автор инженера Сие Денг от университета „Ла Сале“, Universitat Ramon Llull, е друг вид звяр, вдъхновен от това какво може да направи една черна дупка.
Вместо да използва звук за симулиране на гравитационна физика, тя е проектирана да експлоатира едно необичайно свойство на звуковите вълни: при подходящи условия те могат да бъдат постепенно забавяни, докато на практика никога не стигнат крайната си цел.
Това донякъде прилича на известния парадоксален дихотомичен разказ на древногръцкия философ Зенон, в който пътешественикът трябва да измине половината от оставащото разстояние до дестинацията, след това отново половината и т.н., като изглежда сякаш никога не пристига.
По-бързо от светлината? Вълнов феномен обърка физиката
Разликата е, че в звуковата черна дупка вълната наистина се забавя, докато се движи.
„Това, което се случва с вълната, когато тя наближи края на звуковата черна дупка, има известно сходство с това, което външният наблюдател вижда близо до астрофизична черна дупка: изглежда, че на вълната й отнема безкрайно време да достигне граничната точка“, обяснява Гуаш.
„В идеалния случай, щом веднъж навлезе в звуковата черна дупка, вълната не излиза обратно“, обяснява Гуаш.
Акустичният номер с изчезването се крие в дизайна. Точно както една астрофизична черна дупка всъщност не е дупка, така и звуковата й версия не е. Тя представлява внимателно конструирана структура, която променя начина, по който звукът се движи през тръбата.
В конвенционалните дизайни поредица от пръстени и кухини покриват вътрешността на тръбата, подредени така, че звуковите вълни да се забавят постепенно, докато пътуват през тях. Техните дължини на вълната стават по-къси, а енергията им става все по-концентрирана.
Но има уловка. Тези структури трябва да бъдат вградени в самите тръби, обикновено произвеждани заедно, което ги прави трудни за монтиране в съществуващи системи. Освен това ефектът на черната дупка работи само в ограничен диапазон от звукови честоти.
COVID-19 2020 г.: Годината на тихия океан
Денг, Гуаш и техните колеги се чудели дали биха могли да разрешат и двата проблема, като обърнат цялото нещо наопаки - звуково коледно дърво, вместо фуния.
„Концепцията е изненадващо проста и работи много добре“, казва Гуаш и допълва: „От практическа гледна точка звуковата черна дупка може да бъде произведена независимо от въздуховода и след това просто поставена в него“.
Дизайнът на екипа се състои от серия пръстени, монтирани на централен прът, чиито диаметри постепенно се променят по дължината му. Пространствата между пръстените образуват кухини, които объркват начина, по който звукът се движи през тръбата.
Когато звукът навлезе в структурата в нейния връх, той се забавя, дължината на вълната му става все по-къса, докато енергията му се концентрира към далечния край.
И тук се случва онзи номер с изчезването. Вместо просто да отскочи обратно, голяма част от концентрираната звукова енергия се разсейва чрез триене и топлообмен между въздуха и повърхностите на устройството, оставяйки много по-малко енергия, която да избяга като ехо.
Изследователите тествали това с прототип, отпечатан на 3D принтер - структура с дължина 15 сантиметра, състояща се от 29 пръстена, монтирани на централен опорен прът, която след това била поставена в импедансна тръба - лабораторен апарат, използван за измерване на поведението на звуковите вълни, когато те срещнат материал или структура.
След това те викнали в тръбата - не наистина; те използвали високоговорител, за да изпратят звукови вълни с различни честоти през тръбата, и микрофони, за да измерят колко от тях се връщат обратно.
И резултатите били доста обнадеждаващи. Количеството звук, отразено обратно извън звуковата черна дупка, в общи линии съвпадало с компютърните симулации на екипа - въпреки че е важно да се отбележи, че тя не е елиминирала напълно ехото.
Изследователите използвали също компютърни симулации, за да сравнят своя дизайн за вграждане с конвенционална звукова черна дупка.
Те предположили, че новата геометрия може да има ползи, които надхвърлят модулността и лекотата на инсталиране.
„Другото важно предимство е, че честотният диапазон, в който устройството се държи като звукова черна дупка, е значително по-широк, отколкото в конвенционалната конфигурация“, обяснява Гуаш.
Симулациите също така показали, че дизайнът за вграждане отразява по-малко звук от своя конвенционален събрат в широк диапазон от честоти.
Това е така, защото кухините между пръстените в една звукова черна дупка резонират на определени звукови честоти, променяйки начина, по който устройството абсорбира звука.
В новия дизайн изследователите установили, че тези резонанси се появяват при по-високи честоти, което позволява на ефекта на черната дупка да продължи да работи в по-широк диапазон.
Най-непосредствените приложения за тази технология са, разбира се, в контрола на шума, особено във въздуховоди и заглушители, където отразеният звук може да причини проблеми.
А изследователите вече гледат отвъд тръбите, изследвайки дали звуковите черни дупки могат да бъдат разработени в две и три измерения, с потенциални приложения в акустиката на помещенията.
Все още има предизвикателства за преодоляване, преди малките поглъщащи звук коледни елхи да бъдат разгърнати на полето. Различните среди носят различни проблеми – от частици, които биха могли да запушат кухините, до ефектите на температурата, налягането и движещия се въздух.
Но Гуаш е развълнуван от възможностите за манипулиране на звука по начини, които някога биха изглеждали почти невъзможни.
„Лично за мен това, което намирам за най-стимулиращо, е физиката и математиката зад всичко това, както и начинът, по който то събира области на знанието, които първоначално могат да изглеждат доста несвързани“, казва той пред ScienceAlert и допълва:.
„И разбира се, типът управление на вълните, който вече може да бъде постигнат, вероятно би изглеждал почти като научна фантастика преди няколко години“.
Изследването е публикувано в Applied Acoustics.
