Підпишіться на нас в Google
Звук може бути ще тим неслухняним явищем, коли справа доходить до його приборкання. Він наповнює світ навколо нас, вириваючись із безлічі джерел і відбиваючись від поверхонь як відлуння – ця властивість робить звук одночасно неймовірно корисним і глибоко дратівливим – залежно від того, де і як виникають його відбиття.
Є ситуації, в яких відлуння може створювати проблеми. Найбільш очевидний приклад – студії звукозапису. Але одна з головних проблемних зон – та, яка, ймовірно, менш очевидна, бо вона набагато поширеніша, – це труби, пише ScienceAlert.
Згадайте системи вентиляції, кондиціонування, промислову витяжку і навіть сантехніку. Звук поширюється просторами, що містяться в цих трубах і повітроводах, – а коли він стикається з перешкодою, зміною форми або закритим кінцем, він може почати метатися там, наче божевільний.
Тепер вчені розробили дотепний невеликий пристрій, який може різко зменшити ці відбиття – фактично "поглинаючи" звук.
Що вони зробили
Цей пристрій називається звуковою чорною дірою – нову конструкцію можна надрукувати на 3D-принтері та вставити безпосередньо в уже існуючу трубу. Це величезний крок вперед порівняно з традиційними конструкціями, в яких чорну діру потрібно було вбудовувати в саму трубу.
"Уявіть, що ви стоїте перед трубою, закритою з дальнього кінця, і кричите в неї. Через деякий час – залежно від довжини труби – ви почуєте відлуння, що повертається з її кінця", – розповів інженер-акустик Оріол Гуаш з Університету Ла Саль Рамон Льюль в Іспанії.
А якби труба закінчувалася звуковою чорною дірою – ви б, по суті, взагалі не почули б відлуння. Акустично це було б майже так, ніби труба була нескінченно довгою – без кінця, від якого звук міг би відбитися назад до вас.
Багато хто знає чорні діри як об’єкти з космосу
Чорні діри найвідоміші як астрофізичні об’єкти – настільки щільні куточки простору, що їхня гравітація викривляє навколо них простір-час у сферичний горизонт – через який не може вирватися навіть світло.
Є багато причин, через які ми не можемо досліджувати ці об’єкти зблизька – тому фізики придумали інші методи, створюючи лабораторні аналоги, які відтворюють окремі аспекти поведінки чорних дір – іноді використовуючи явища, що майже не мають жодного стосунку до гравітації.
Але "чорна діра", розроблена Гуашем та його колегами й описана в статті, яку опублікував у журналі Applied Acoustics інженер Цзе Ден з Університету Ла Саль Рамон Льюль, – це дещо інша річ, натхненна тим, на що здатні чорні діри.
Замість того, щоб використовувати звук для моделювання гравітаційної фізики, вона розроблена для використання однієї незвичайної властивості звукових хвиль: за правильних умов їх можна поступово уповільнити настільки, що вони фактично ніколи не досягнуть кінця свого шляху.
Це трохи схоже на знаменитий парадокс дихотомії давньогрецького філософа Зенона – згідно з яким мандрівник повинен спочатку пройти половину шляху, що залишився до мети, потім половину від половини – і так далі, здавалося б, ніколи не досягаючи її. Різниця полягає в тому, що в звуковій чорній дірі хвиля дійсно сповільнюється у міру свого руху.
"Те, що відбувається з хвилею в міру її наближення до кінця звукової чорної діри, чимось нагадує те, що бачить зовнішній спостерігач поблизу астрофізичної чорної діри: здається, що хвилі потрібна нескінченність часу, щоб досягти граничної точки. В ідеальному випадку, коли хвиля потрапляє в звукову чорну діру, вона з неї вже не повертається", – пояснює Гуаш.
Акустичний фокус із зникненням полягає в конструкції
Так само як астрофізична чорна діра – це насправді не діра, точно так само й її звукова версія. Це ретельно спроектована структура, яка змінює те, як звук рухається крізь трубу.
У традиційних конструкціях низку кілець і порожнин розміщують усередині труби – так, щоб звукові хвилі поступово сповільнювалися в міру проходження крізь неї. Довжина їхніх хвиль стає коротшою, а енергія дедалі більше концентрується.
Але є одне "але". Ці структури потрібно вбудовувати в самі труби – зазвичай їх виготовляють разом. А це ускладнює їхнє встановлення в уже існуючі системи. До того ж ефект чорної діри працює лише в обмеженому діапазоні звукових частот.
Ден, Гуаш та їхні колеги задалися питанням: а що, якщо вирішити обидві проблеми, вивернувши всю конструкцію навиворіт? Так вийшла звукова "ялинка" – а не воронка. "Концепція дивно проста – і вона чудово працює. З практичної точки зору, звукову чорну діру можна виготовити окремо від повітропроводу – а потім просто вставити в нього", – заявив Гуаш.
Пояснення конструкції
Конструкція команди складається з серії кілець, насаджених на центральний стрижень. Їхні діаметри поступово змінюються вздовж стрижня. Простір між кільцями утворює порожнини, які порушують спосіб поширення звуку по трубі.
Коли звук потрапляє в конструкцію через її вістря – він сповільнюється. Довжина його хвилі стає дедалі коротшою, а енергія концентрується на дальньому кінці.
І саме тут і відбувається той самий фокус зі зникненням. Замість того, щоб просто відбиватися, більша частина сконцентрованої звукової енергії розсіюється через тертя та теплообмін між повітрям і поверхнями пристрою. У результаті набагато менше звуку повертається у вигляді відлуння.
Дослідники перевірили це на надрукованому на 3D-принтері прототипі – 15-сантиметровій структурі, що складається з 29 кілець, насаджених на центральний стрижень. Її помістили в акустичну імпедансну трубу – лабораторний прилад, який використовується для вимірювання поведінки звукових хвиль під час зіткнення з матеріалом або структурою.
Потім у трубу "покричали": для подачі звукових хвиль різної частоти вони використовували динамік, а для вимірювання відбитого звуку – мікрофони.
І результати виявилися досить багатообіцяючими. Кількість звуку, відбитого "звуковою чорною дірою", загалом збіглася з комп’ютерними моделями команди – хоча важливо зазначити, що відлуння не було повністю усунуто. Дослідники також використовували комп’ютерне моделювання, щоб порівняти свою вставну конструкцію з традиційною звуковою чорною дірою.
Моделювання показало, що нова геометрія може мати переваги, які виходять за межі модульності та зручності встановлення. "Інша важлива перевага полягає в тому, що частотний діапазон, у якому пристрій поводиться як звукова чорна діра, – значно ширший, ніж у традиційній конфігурації", – пояснив Гуаш.
Вставна конструкція відбиває менше звуку, ніж її традиційний аналог
Це пов’язано з тим, що порожнини між кільцями у звуковій чорній дірі резонують на певних звукових частотах – змінюючи те, як пристрій поглинає звук.
У новій конструкції дослідники виявили, що ці резонанси відбуваються на вищих частотах – що дозволяє ефекту "чорної діри" продовжувати діяти в ширшому діапазоні.
Найбільш безпосереднє застосування цієї технології – очевидно, у сфері контролю над шумом. Особливо у повітроводах і глушниках – де відбитий звук може створювати проблеми. Дослідники вже дивляться й далі – за межі труб. Вони вивчають, чи можна розробити звукові чорні діри у двох і трьох вимірах – з потенційним застосуванням в акустиці приміщень.
Перш ніж маленькі "ялинки"-пожирачі звуку можна буде використовувати в реальних умовах, потрібно буде подолати ще чимало складнощів. У різних середовищах виникають різні проблеми – від частинок, які можуть забивати порожнини, до впливу температури, тиску та руху повітря.
Раніше УНІАН повідомляв, що на полюсі Марса знайшли лід, у якому всього 3% пилу.
