Іспанські фізики створили так звану звукову чорну діру, яка поглинає звук і не дає йому повертатися відлунням. Головна новина: конструкцію можна просто надрукувати на 3D-принтері та вставити в уже існуючу трубу, не перебудовуючи всю систему. Дослідження команди Університету Ла Саль Рамон Льюль опублікував журнал Applied Acoustics.
Для України, де десятки тисяч будівель відбудовують після російських обстрілів, а генератори й вентиляційні системи стали частиною повсякдення, технологія контролю шуму звучить не як забава фізиків, а як практична потреба. Тихіші повітроводи, глушники, студії, лікарні: сфери застосування широкі.
Що таке звукова чорна діра і як вона працює
Чорні діри відомі як космічні об'єкти, гравітація яких не випускає навіть світло. Фізики давно створюють лабораторні аналоги, що відтворюють окремі аспекти їхньої поведінки. Звукова чорна діра працює інакше: звукові хвилі за правильних умов поступово сповільнюються настільки, що фактично ніколи не досягають кінця свого шляху, а енергія розсіюється через тертя й теплообмін між повітрям і поверхнями пристрою.
«Уявіть, що ви стоїте перед трубою, закритою з дальнього кінця, і кричите в неї. Через деякий час ви почуєте відлуння, що повертається з її кінця», - розповів інженер-акустик Оріол Гуаш. Якби труба закінчувалася звуковою чорною дірою, відлуння зникло б: акустично це майже як труба нескінченної довжини.
Вчений порівнює ефект із парадоксом дихотомії давньогрецького філософа Зенона, де мандрівник начебто ніколи не досягає мети. Різниця в тому, що хвиля в звуковій чорній дірі дійсно сповільнюється. «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.
Чому нову конструкцію можна друкувати на 3D-принтері
Традиційні звукові чорні діри потрібно вбудовувати в саму трубу, що ускладнює встановлення в готові системи. Команда інженерки Цзе Ден та Оріола Гуаша вирішила проблему, вивернувши конструкцію навиворіт: замість воронки вийшла звукова «ялинка» з кілець на центральному стрижні. «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», - зазначив Гуаш.
Простір між кільцями утворює порожнини, які порушують поширення звуку. Коли звук потрапляє у вістря конструкції, він сповільнюється, довжина хвилі скорочується, а енергія концентрується на дальньому кінці й там розсіюється.
Що показали випробування прототипу
Дослідники надрукували на 3D-принтері 15-сантиметровий прототип із 29 кілець і помістили його в акустичну імпедансну трубу. Звук подавали через динамік, відлуння вимірювали мікрофонами. Кількість відбитого звуку загалом збігалася з комп'ютерними моделями, хоча повністю усунути відлуння поки не вдалося.
Моделювання показало і бонус: порожнини між кільцями резонують на вищих частотах, тож пристрій поглинає звук у ширшому діапазоні, ніж традиційні конструкції. «Частотний діапазон, у якому пристрій поводиться як звукова чорна діра, значно ширший, ніж у традиційній конфігурації», - пояснив Гуаш.
Найближче застосування - контроль шуму в повітроводах і глушниках. Команда вивчає й двовимірні та тривимірні версії для акустики приміщень. До реального використання ще треба подолати труднощі: забруднення порожнин частинками, вплив температури, тиску та руху повітря.
Коли українська наука зможе скористатися такими розробками
Відкрита наука знає кордонів, і європейська спільнота дослідників, до якої інтегрується Україна, ділиться такими результатами вільно. Для українських інженерів, які відновлюють інфраструктуру та розвивають 3D-друк, це ще один приклад того, як європейська наука працює на практичні потреби людей. Українські університети, що дедалі тісніше співпрацюють із європейськими партнерами, цілком здатні адаптувати такі технології для власних потреб.
Часті запитання
Що таке звукова чорна діра?
Це акустична структура, яка сповільнює звукові хвилі так, що вони не відбиваються назад, а їхня енергія розсіюється через тертя й теплообмін. Вона імітує поведінку космічної чорної діри, але для звуку.
Чи можна надрукувати її на 3D-принтері?
Так. Команда Університету Ла Саль Рамон Льюль надрукувала 15-сантиметровий прототип із 29 кілець, який вставляється в готову трубу без перебудови системи.
Де застосують цю технологію?
Передусім у контролі шуму: повітроводи, вентиляція, глушники. Дослідники вивчають також застосування в акустиці приміщень у двох і трьох вимірах.
