Звук може бути досить складним для використання.

Він заповнює навколишній світ, виходячи з безлічі джерел, відбиваючись від поверхонь у вигляді ехо – властивість, яка робить звук як надзвичайно корисним, так і глибоко дратівливим, залежно від того, де і як його відлуння відбуваються.

Існують обставини, коли ехо може викликати проблеми. Найочевидніший приклад – це студії звукозапису, але одна з основних проблем, ймовірно, менш очевидна, оскільки вона набагато поширеніша – труби.

Звук проходить через простори, що містяться в цих трубах і каналах, і коли він стикається з перешкодою, зміною форми або закритим кінцем, він може почати відбиватися, як ніколи.

Тепер вчені розробили геніальний маленький пристрій, який може значно зменшити ці відбиття, ефективно 'поглинаючи' звук.

Цей пристрій називається звуковою чорною дірою, і новий дизайн може бути 3D-друкованим і вставленим безпосередньо в існуючу трубу – це великий крок вперед у порівнянні з традиційними дизайнами, які вимагають, щоб чорна діра була вбудована в саму трубу.

Уявіть собі, що ви стоїте перед трубою, закритою з далекого кінця, і кричите в неї. Після короткої затримки, залежно від довжини труби, ви почуєте ехо, що повертається з кінця. Якщо труба була б закінчена звуковою чорною дірою, ви б фактично не почули жодного еха. Акустично це було б майже так, ніби труба була б нескінченною, без кінця, з якого звук міг би відбитися назад до вас.

Чорні діри найкраще відомі як астрофізичні об'єкти, ділянки простору настільки щільні, що їхня гравітація викривляє простір-час навколо них у сферичний горизонт, з якого навіть світло не може втекти.

Існує багато причин, чому ми не можемо вивчати ці об'єкти зблизька, тому фізики розробили інші методи, створюючи лабораторні аналоги, які відтворюють аспекти поведінки чорних дір, іноді покладаючись на явища, які мають мало спільного з гравітацією.

Але 'чорна діра', розроблена Гуашем і його колегами, описана в статті, автором якої є інженер Цзє Дун, є іншим видом звіра, натхненного тим, що може зробити чорна діра.

Замість того, щоб використовувати звук для моделювання гравітаційної фізики, вона призначена для використання незвичайної властивості звукових хвиль: за певних умов вони можуть поступово сповільнюватися, поки фактично ніколи не досягають кінця своєї подорожі.

Це трохи нагадує знаменитий парадокс Зенона давньогрецького філософа, в якому мандрівник повинен покрити половину залишкової відстані до місця призначення, потім знову половину, і так далі, здавалося б, ніколи не досягаючи.

Різниця в тому, що в звуковій чорній дірі хвиля дійсно сповільнюється під час подорожі.

Що відбувається з хвилею, коли вона наближається до кінця звукової чорної діри, має певну схожість з тим, що бачить зовнішній спостерігач поблизу астрофізичної чорної діри: хвиля, здається, займає нескінченний час, щоб досягти обмежуючої точки.

В ідеальному випадку, як тільки хвиля входить у звукову чорну діру, вона не виходить назад.

Акустичний трюк зникнення полягає в дизайні. Так само, як астрофізична чорна діра насправді не є діркою, так само і звукова версія. Це ретельно спроектована структура, яка змінює спосіб, яким звук проходить через трубу.

У традиційних дизайнах серія кілець і порожнин вистилає внутрішню частину труби, розташовані так, що звукові хвилі поступово сповільнюються, коли вони проходять через неї. Їхні довжини хвиль стають коротшими, а їхня енергія стає все більш концентрованою.

Але є підступ. Ці структури повинні бути вбудовані в самі труби, зазвичай виготовлені разом, що ускладнює їх установку в існуючі системи. І ефект чорної діри працює лише в обмеженому діапазоні звукових частот.

Дун, Гуаш і їхні колеги задумалися, чи можуть вони вирішити обидві проблеми, перевернувши все навиворіт – звукова ялинка, а не воронка.

Концепція виявилася дивно простою і працює дуже добре, сказав Гуаш. З практичної точки зору, звукову чорну діру можна виготовити незалежно від каналу, а потім просто вставити в нього.

Дизайн команди складається з серії кілець, змонтованих на центральному стержні, з їхніми діаметрами, що поступово змінюються вздовж його довжини. Проміжки між кільцями формують порожнини, які порушують спосіб, яким звук проходить через трубу.

Коли звук входить у структуру на кінці, він сповільнюється, його довжина хвилі поступово стає коротшою, а енергія концентрується до далекого кінця.

І ось тут відбувається той трюк зникнення. Замість того, щоб просто відбиватися назад, більшість концентрованої звукової енергії розсіюється через тертя та теплообмін між повітрям і поверхнями пристрою, залишаючи набагато менше, щоб втекти як ехо.

Дослідники протестували це з 3D-друкованим прототипом – 15-сантиметровою структурою, що складається з 29 кілець, змонтованих на центральному стержні, яка потім була вставлена в трубку імпедансу – лабораторний апарат, що використовується для вимірювання того, як звукові хвилі поводяться, коли вони стикаються з матеріалом або структурою.

Потім вони кричали в трубку – насправді вони використовували динамік, щоб надіслати звукові хвилі на різних частотах через трубку, а мікрофони вимірювали, скільки звуку відбивалося назад.

Результати були досить обнадійливими. Кількість звуку, що відбивалася назад з звукової чорної діри, в цілому відповідала комп'ютерним симуляціям команди – хоча важливо зазначити, що вона не повністю усунула ехо.

Дослідники також використовували комп'ютерні симуляції, щоб порівняти їхній дизайн з традиційною звуковою чорною дірою.

Ці симуляції показали, що нова геометрія може мати переваги, які виходять за межі модульності та легкості установки.

Інша важлива перевага полягає в тому, що діапазон частот, в якому пристрій поводиться як звукова чорна діра, значно ширший, ніж у традиційній конфігурації, пояснив Гуаш.

Симуляції також показали, що новий дизайн відбиває менше звуку, ніж його традиційний аналог, у широкому діапазоні частот.

Це пов'язано з тим, що порожнини між кільцями в звуковій чорній дірі резонують на певних звукових частотах, змінюючи спосіб, яким пристрій поглинає звук.

У новому дизайні дослідники виявили, що ці резонанси відбуваються на вищих частотах, що дозволяє ефекту чорної діри продовжувати працювати в більш широкому діапазоні.

Найближчі застосування цієї технології, очевидно, пов'язані з контролем шуму, особливо в каналах і глушниках, де відбите звучання може викликати проблеми.

Дослідники вже розглядають можливість розробки звукових чорних дір у двох і трьох вимірах, з потенційними застосуваннями в акустиці приміщень.

Однак ще є виклики, які потрібно подолати, перш ніж ці маленькі звукові ялинки зможуть бути впроваджені в реальному житті. Різні середовища приносять різні проблеми, від частинок, які можуть забивати порожнини, до впливу температури, тиску та потоку повітря.

Але Гуаш вражений можливостями маніпулювання звуком у способах, які колись здавалися майже неможливими.

Особисто мені найбільш цікаво фізика і математика, що стоять за всім цим, і те, як це об'єднує області знань, які спочатку можуть здаватися досить несумісними, сказав він.

І, звичайно, тип контролю хвиль, який тепер можна досягти, ймовірно, здавався б майже науковою фантастикою кілька років тому.

Дослідження було опубліковано в Applied Acoustics.