Учени създадоха „звукова черна дупка“

Звукът се отразява от повърхностите и може да създава нежелано ехо, особено в затворени пространства като вентилационни системи, климатични инсталации, промишлени канали и ВиК тръби. Учени разработиха компактно устройство, наречено „звукова черна дупка“, което може значително да намали тези отражения. За разлика от по-старите конструкции, новият дизайн може да бъде произведен отделно и поставен в съществуваща тръба.

„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“, обяснява 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“, допълва той.

За разлика от астрофизичните черни дупки, които задържат дори светлината заради изключително силната си гравитация, звуковата версия е специално конструирана структура. Тя използва свойството на звуковите вълни да се забавят постепенно при определени условия, докато на практика изглежда, че никога не достигат края на пътя си.

„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 ѝ отнема безкрайно време да достигне граничната точка“, казва Гуаш. „В идеалния случай, щом веднъж навлезе в звуковата черна дупка, вълната не излиза обратно.“

Конвенционалните устройства от този тип обикновено използват поредица от пръстени и кухини, вградени във вътрешността на тръбата. Те забавят звуковите вълни, скъсяват дължината им и концентрират енергията им, но имат два съществени недостатъка: трудно се монтират в вече изградени системи и действат ефективно само в ограничен диапазон от честоти.

Екипът на Гуаш и инженера Сие Денг избрал различен подход. Вместо структурата да бъде вградена в стените на тръбата, тя представлява серия от пръстени с постепенно променящ се диаметър, монтирани върху централен опорен прът. Кухините между тях влияят върху движението на звука, като постепенно го забавят и насочват енергията му към далечния край.

Там значителна част от енергията се разсейва чрез триене и топлообмен между въздуха и повърхностите на устройството. Така остава по-малко енергия, която да се върне обратно под формата на ехо.

Изследователите проверили концепцията с прототип, отпечатан на 3D принтер. Устройството е дълго 15 сантиметра и се състои от 29 пръстена, поставени върху централен прът. То било монтирано в импедансна тръба – лабораторен апарат за изследване на поведението на звуковите вълни при среща с различни материали и структури.

Вместо да викат в тръбата, учените използвали високоговорител, който изпращал звукови вълни с различни честоти, а микрофони измервали колко звук се отразява обратно. Резултатите като цяло съвпаднали с компютърните симулации, макар че устройството не премахнало напълно ехото.

Симулациите показали и друго предимство: новата конструкция може да работи в значително по-широк честотен диапазон от традиционните звукови черни дупки. Според Гуаш това се дължи на резонансите в кухините между пръстените, които при новата геометрия се появяват при по-високи честоти и позволяват ефектът да се запази в по-широк диапазон.

Най-непосредственото приложение на технологията е в контрола на шума във въздуховоди и заглушители. Екипът проучва и възможността подобни структури да бъдат разработени в две и три измерения, което би могло да отвори път към приложения в акустиката на помещенията.

Преди технологията да бъде използвана широко, остават редица практически предизвикателства. Частици могат да запушат кухините, а температурата, налягането и движението на въздуха също могат да повлияят на работата на устройството.

Въпреки това Гуаш вижда значителен потенциал в новия подход към управлението на звуковите вълни.

„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 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 научното списание Applied Acoustics.

Източник: Vesti.bg.

Прочети цялата публикация