Она буквально "поглощает" звук, не позволяя ему вернуться назад в виде эха.
Звук может быть той еще непослушной штукой, когда дело доходит до его укрощения. Он наполняет мир вокруг нас, вырываясь из множества источников и отражаясь от поверхностей как эхо – это свойство делает звук одновременно невероятно полезным и глубоко раздражающим – в зависимости от того, где и как возникают его отражения.
Есть ситуации, в которых эхо может создавать проблемы. Самый очевидный пример – звукозаписывающие студии. Но одна из главных проблемных зон – та, которая, вероятно, менее очевидна, потому что она куда более повсеместна – это трубы, пишет ScienceAlert.
Вспомните системы вентиляции, кондиционирования, промышленную вытяжку и даже сантехнику. Звук распространяется через пространства, заключенные в этих трубах и воздуховодах – а когда он сталкивается с преградой, изменением формы или закрытым концом, он может начать метаться там как сумасшедший.
Теперь ученые разработали остроумное небольшое устройство, которое может резко уменьшить эти отражения – фактически "заглатывая" звук.
Это устройство называется звуковой черной дырой – новую конструкцию можно напечатать на 3D-принтере и вставить непосредственно в уже существующую трубу. Это огромный шаг вперед по сравнению с традиционными конструкциями, в которых черную дыру нужно было встраивать в саму трубу.
"Представьте, что вы стоите перед трубой, закрытой с дальнего конца, и кричите в нее. Через небольшое время – в зависимости от длины трубы – вы услышите эхо, возвращающееся от ее конца", – рассказал инженер по акустике Ориол Гуаш из Университета Ла Саль Рамон Льюль в Испании.
А если бы труба заканчивалась звуковой черной дырой – вы бы по сути вообще не услышали эха. Акустически это было бы почти так, как если бы труба была бесконечно длинной – без конца, от которого звук мог бы отразиться обратно к вам.
Черные дыры лучше всего известны как астрофизические объекты – настолько плотные уголки пространства, что их гравитация искривляет вокруг них пространство-время в сферический горизонт – из-за которого не может вырваться даже свет.
Есть много причин, по которым мы не можем изучать эти объекты вблизи – поэтому физики придумали другие методы, создавая лабораторные аналоги, которые воспроизводят отдельные аспекты поведения черных дыр – иногда используя явления, которые не имеют почти никакого отношения к гравитации.
Но "черная дыра", разработанная Гуашем и его коллегами и описанная в статье, которую опубликовал в журнале Applied Acoustics инженер Цзе Дэн из Университета Ла Саль Рамон Льюль, – это несколько иная штука, вдохновленная тем, что черные дыры способны делать.
Вместо того чтобы использовать звук для моделирования гравитационной физики – она разработана, чтобы использовать одно необычное свойство звуковых волн: при правильных условиях их можно постепенно замедлить настолько, что они фактически никогда не достигнут конца своего пути.
Это немного похоже на знаменитый парадокс дихотомии древнегреческого философа Зенона – согласно которому путник должен сначала пройти половину оставшегося пути до цели, затем половину от половины – и так далее, казалось бы, никогда не достигая ее. Разница в том, что в звуковой черной дыре волна действительно замедляется по мере своего движения.
"То, что происходит с волной по мере ее приближения к концу звуковой черной дыры, в чем-то напоминает то, что видит внешний наблюдатель вблизи астрофизической черной дыры: кажется, что волне нужна бесконечность времени, чтобы достигнуть предельной точки. В идеальном случае, когда волна попадает в звуковую черную дыру – она из нее уже не возвращается", – объясняет Гуаш.
Так же как астрофизическая черная дыра – это на самом деле не дыра, точно так же и ее звуковая версия. Это тщательно спроектированная структура, которая меняет то, как звук движется через трубу.
В традиционных конструкциях ряд колец и полостей выстраивают внутри трубы – так, чтобы звуковые волны постепенно замедлялись по мере движения через нее. Их длины волн становятся короче, а энергия все больше концентрируется.
Но есть одно "но". Эти структуры нужно встраивать в сами трубы – обычно их изготавливают вместе. А это делает их сложными для установки в уже существующие системы. К тому же эффект черной дыры работает лишь в ограниченном диапазоне звуковых частот.
Дэн, Гуаш и их коллеги задались вопросом: а что если решить обе проблемы, вывернув всю конструкцию наизнанку? Так получилась звуковая "елка" – а не воронка. "Концепция удивительно проста – и она прекрасно работает. С практической точки зрения, звуковую черную дыру можно изготовить отдельно от воздуховода – а затем просто вставить в него", – заявил Гуаш.
Конструкция команды состоит из серии колец, насаженных на центральный стержень. Их диаметры постепенно изменяются по длине стержня. Пространства между кольцами образуют полости, которые нарушают то, как звук распространяется по трубе.
Когда звук попадает в структуру через ее острие – он замедляется. Его длина волны становится все короче, а энергия концентрируется на дальнем конце.
И вот здесь-то и происходит тот самый фокус с исчезновением. Вместо того чтобы просто отражаться – большая часть сконцентрированной звуковой энергии рассеивается через трение и теплообмен между воздухом и поверхностями устройства. В результате куда меньше звука выходит обратно в виде эха.
Исследователи проверили это на напечатанном на 3D-принтере прототипе – 15-сантиметровой структуре, состоящей из 29 колец, насаженных на центральный стержень. Ее поместили в акустическую импедансную трубу – лабораторный прибор, который используется для измерения того, как звуковые волны ведут себя при столкновении с материалом или структурой.
Затем в трубу "покричали" для подачи звуковых волн разной частоты они использовали динамик, а для измерения отразившегося звука – микрофоны.
И результаты оказались довольно многообещающими. Количество отраженного звуковой черной дырой звука в целом совпало с компьютерными моделями команды – хотя важно отметить, что эхо не было полностью устранено. Исследователи также использовали компьютерное моделирование, чтобы сравнить свою вставную конструкцию с традиционной звуковой черной дырой.
Моделирование показало, что новая геометрия может иметь преимущества, выходящие за рамки модульности и удобства установки. "Другое важное преимущество в том, что частотный диапазон, в котором устройство ведет себя как звуковая черная дыра – значительно шире, чем в традиционной конфигурации", – объяснил Гуаш.
Это связано с тем, что полости между кольцами в звуковой черной дыре резонируют на определенных звуковых частотах – изменяя то, как устройство поглощает звук.
В новой конструкции исследователи обнаружили, что эти резонансы происходят на более высоких частотах – что позволяет эффекту черной дыры продолжать работать в более широком диапазоне.
Самое непосредственное применение этой технологии – очевидно, в сфере контроля над шумом. Особенно в воздуховодах и глушителях – где отраженный звук может создавать проблемы. Исследователи уже смотрят и дальше – за пределы труб. Они изучают, можно ли разработать звуковые черные дыры в двух и трех измерениях – с потенциальным применением в акустике помещений.
Прежде чем маленькие "елочки"-пожиратели звука можно будет использовать в реальных условиях, нужно будет преодолеть еще немало сложностей. В разных средах возникают разные проблемы – от частиц, которые могут забивать полости, до влияния температуры, давления и движения воздуха.
Ранее УНИАН сообщал, что на полюсе Марса нашли лед, в котором всего 3% пыли.