Физики создали чёрную дыру в лаборатории: она поглотила звук

Испанские физики создали «звуковую чёрную дыру». Для этого им пришлось напечатать на 3D-принтере устройство, которое вставляется в существующие трубы и поглощает звук, уменьшая эхо. Конструкция из 29 колец на центральном стержне замедляет звуковые волны, концентрирует их энергию и рассеивает её за счёт трения и теплообмена, а эффект работает в более широком диапазоне частот, чем у традиционных аналогов.

© Chen Shuo/XinHua/ Global Look Press

Учёные разработали устройство, которое эффективно «поглощает» звук. Новая разработка может быть напечатать на 3D-принтере и вставлена прямо в существующую трубу, в отличие от традиционных конструкций, требующих встраивания.

«Представьте, что вы кричите в воздуховод, закрытый в дальнем конце. Вы услышите эхо, — рассказал инженер-акустик Ориоль Гуаш. — Если бы канал заканчивался звуковой чёрной дырой, вы бы вообще не услышали эхо. Акустически это было бы почти как если бы труба была бесконечно длинной».

Астрофизические чёрные дыры настолько плотны, что даже свет не может вырваться. Поскольку изучать их вблизи невозможно, физики создают лабораторные аналоги. Но «чёрная дыра» Гуаша и коллег использует необычное свойство звуковых волн: при определённых условиях они постепенно замедляются, пока не достигнут конца пути. Это похоже на парадокс Зенона, но в звуковой чёрной дыре волна действительно замедляется по мере распространения.

«Как только волна попадает в звуковую чёрную дыру, она не возвращается обратно», — объяснил Гуаш.

Трюк в дизайне: звуковая версия — тщательно спроектированная конструкция, изменяющая прохождение звука. В обычных конструкциях внутри трубы есть кольца и полости, постепенно замедляющие волны: длина волны становится короче, энергия концентрируется. Но их нужно встраивать в трубы, что затрудняет установку, а эффект работает лишь в ограниченном диапазоне частот.

«Концепция на удивление проста и работает очень хорошо, — считает Гуаш. — Звуковая чёрная дыра может быть изготовлена независимо от воздуховода, а затем просто вставлена в него».

Конструкция состоит из колец на центральном стержне с меняющимся диаметром: промежутки образуют полости, влияющие на звук. По мере проникновения звук замедляется, длина волны сокращается, энергия концентрируется в дальнем конце и рассеивается за счёт трения и теплообмена, оставляя мало энергии для эха.

Исследователи протестировали напечатанный на 3D-принтере прототип: 15-сантиметровую конструкцию из 29 колец на стержне, вставленную в импедансную трубку. Динамик посылал звуковые волны разной частоты, микрофоны измеряли отражение. Результаты соответствовали компьютерным расчётам, хотя полного устранения эха не произошло. Моделирование показало, что новая геометрия имеет преимущества: «Частотный диапазон, в котором устройство ведёт себя как звуковая чёрная дыра, значительно шире, чем в обычной конфигурации».

Исследователи уже исследуют создание звуковых чёрных дыр в двух и трёх измерениях для акустики помещений. Предстоит преодолеть трудности: частицы, забивающие полости, воздействие температуры, давления и потока воздуха.

«Лично я нахожу наиболее стимулирующими физику и математику, стоящие за всем этим, и то, как они объединяют области знаний, которые поначалу кажутся совершенно не связанными, — заключает Гуаш. — Тот тип управления волнами, который может быть достигнут сейчас, вероятно, несколько лет назад показался бы почти научной фантастикой».

 

Источник