Физики разработали необычное устройство, которое заставляет звуковые волны постепенно замедляться и практически исчезать, не возвращаясь обратно в виде эха. Изобретение получило название «звуковая чёрная дыра» и может стать новым способом борьбы с шумом в вентиляционных системах, трубопроводах и промышленных установках.
В отличие от настоящих чёрных дыр, удерживающих даже свет благодаря мощнейшей гравитации, новая конструкция использует исключительно физические свойства звука. Её можно изготовить на 3D-принтере и установить внутрь уже существующей трубы, не изменяя её конструкцию.
Проблема, которую пытаются решить исследователи, встречается гораздо чаще, чем кажется. Звук постоянно отражается от окружающих поверхностей, создавая эхо. Иногда это полезно, но в замкнутых пространствах отражения способны превращаться в серьёзный источник шума.
Особенно заметно это в вентиляционных каналах, системах кондиционирования, промышленных вытяжках и водопроводных трубах. Звуковые волны распространяются внутри них и отражаются от препятствий, изгибов, изменений формы или закрытых концов. В результате возникают многочисленные отражения, которые трудно устранить.
Инженер-акустик Ориоль Гуаш из Университета Рамона Льюля в Испании предлагает представить простой эксперимент: человек стоит перед длинной трубой, закрытой с противоположного конца, и громко кричит внутрь. Через некоторое время звук отражается от заглушки и возвращается в виде эха.
Но если на конце трубы установить звуковую чёрную дыру, отражение практически исчезнет.
«С точки зрения акустики это будет почти так, словно труба бесконечно длинная и у неё нет конца, от которого звук мог бы отразиться обратно», — объясняет Гуаш.
Идея основана на необычном поведении звуковых волн. При определённых условиях их распространение можно замедлять всё сильнее, пока они практически не перестанут продвигаться вперёд.
Этот эффект напоминает знаменитый парадокс древнегреческого философа Зенона. Согласно ему, путешественник сначала должен пройти половину расстояния до цели, затем половину оставшегося пути, потом ещё половину — и так бесконечно. Получается, что он словно никогда не достигает конечной точки.
В звуковой чёрной дыре происходит нечто похожее, но здесь замедление волны имеет реальную физическую причину.
«То, что происходит с волной при приближении к концу звуковой чёрной дыры, в определённой степени напоминает картину, которую внешний наблюдатель видит возле астрофизической чёрной дыры: кажется, что волне требуется бесконечное время, чтобы достичь предельной точки», — рассказывает Гуаш.
В идеальном случае звуковая волна, попавшая внутрь такой конструкции, вообще не должна выходить обратно.
Сам принцип звуковой чёрной дыры известен исследователям и раньше применялся в специальных акустических устройствах. Обычно внутренняя поверхность трубы снабжается системой колец и полостей, расположенных таким образом, чтобы постепенно изменять распространение звука.
По мере продвижения волна замедляется, её длина сокращается, а энергия всё сильнее концентрируется. Однако у традиционного подхода есть два существенных недостатка.
Во-первых, подобные элементы приходится встраивать непосредственно в стенки трубы, зачастую ещё во время её изготовления. Установить их в уже работающую систему сложно. Во-вторых, эффект звуковой чёрной дыры сохраняется только в ограниченном диапазоне частот.
Команда исследователей под руководством инженера Цзе Дэна решила изменить саму геометрию устройства. Вместо колец, встроенных в стенки трубы, учёные разместили их на центральном стержне.
Получилась конструкция, напоминающая небольшую ёлочку: вдоль стержня располагаются кольца, диаметры которых постепенно изменяются. Пространства между ними образуют полости, влияющие на движение звуковых волн.
«Концепция удивительно проста и работает очень хорошо. С практической точки зрения звуковую чёрную дыру можно изготовить отдельно от воздуховода, а затем просто вставить внутрь», — отмечает Гуаш.
Когда звук попадает в такую конструкцию с её узкого конца, он начинает постепенно замедляться. Длина волны уменьшается, а энергия концентрируется ближе к противоположному концу устройства.
Но главное происходит дальше. Вместо того чтобы отразиться обратно, значительная часть звуковой энергии рассеивается из-за трения и теплообмена между воздухом и поверхностями конструкции. В результате обратно возвращается намного меньше звука.
Для проверки этой идеи исследователи изготовили опытный образец на 3D-принтере. Его длина составила всего 15 сантиметров, а на центральном стержне разместили 29 колец.
Устройство установили внутрь специальной измерительной трубы, предназначенной для изучения взаимодействия звуковых волн с различными материалами и конструкциями.
Затем через динамик в трубу подавали звуковые волны разных частот, а микрофоны регистрировали, какая часть звука отражалась обратно.
Эксперимент подтвердил работоспособность новой конструкции. Измеренные показатели отражения в целом совпали с результатами предварительного компьютерного моделирования. Хотя полностью устранить эхо не удалось, устройство заметно уменьшало количество возвращающегося звука.
Однако исследователей интересовала не только эффективность поглощения, но и возможность превзойти традиционные звуковые чёрные дыры.
Для этого они провели дополнительное компьютерное моделирование, сравнив новую конструкцию с классической системой колец, встроенных в стенки трубы.
Результаты показали, что изменение геометрии даёт преимущества не только при установке.
«Другое важное преимущество заключается в том, что диапазон частот, в котором устройство ведёт себя как звуковая чёрная дыра, значительно шире, чем у традиционной конструкции», — объясняет Гуаш.
Моделирование также показало, что новая система отражает меньше звука в широком диапазоне частот.
Причина связана с акустическим резонансом. Полости между кольцами могут резонировать на определённых частотах, изменяя способность конструкции поглощать звуковую энергию.
В новой геометрии эти резонансы смещаются в область более высоких частот. Благодаря этому эффект звуковой чёрной дыры сохраняется в более широком диапазоне, чем при использовании колец на стенках трубы.
Практическое применение технологии исследователи прежде всего связывают с борьбой против шума. Такие устройства можно будет использовать в вентиляционных каналах и глушителях, где отражённые звуковые волны создают дополнительные проблемы.
Особенно удобно то, что конструкция не требует изготовления новой трубы. Её можно производить отдельно и устанавливать в существующие системы, что значительно упрощает потенциальное применение.
Но учёные уже рассматривают возможности, выходящие за пределы трубопроводов. В частности, они изучают создание двухмерных и трёхмерных звуковых чёрных дыр, которые могли бы найти применение в акустике помещений.
Пока технология остаётся экспериментальной. Прежде чем использовать такие устройства в реальных условиях, необходимо решить несколько практических проблем.
Например, частицы пыли и другие загрязнения способны забивать полости между кольцами. На работу конструкции также могут влиять температура, давление и движение воздуха внутри трубы.
Все эти факторы предстоит изучить, прежде чем звуковые чёрные дыры смогут применяться в промышленных и бытовых системах.
Сам Гуаш считает наиболее интересной особенностью разработки не только возможность уменьшения шума, но и необычное сочетание физических и математических принципов, на которых она основана.
По его словам, управление волнами, которого сегодня удаётся добиться с помощью таких конструкций, ещё несколько лет назад могло показаться почти научной фантастикой.
Результаты исследования опубликованы в научном журнале Applied Acoustics.
