Czarna dziura dźwiękowa może sprawić, że hałas odbijający się wewnątrz rur i kanałów niemal zniknie. Naukowcy z Hiszpanii opracowali urządzenie, które stopniowo spowalnia fale akustyczne i rozprasza ich energię, ograniczając powstawanie echa. Co najciekawsze, konstrukcję można wydrukować w 3D i umieścić w już istniejącej instalacji. Nowe rozwiązanie może w przyszłości pomóc w wyciszaniu wentylacji, klimatyzacji i urządzeń przemysłowych.
Czarna dziura dźwiękowa – czym właściwie jest?
Czarne dziury kojarzą się przede wszystkim z kosmosem. Ich grawitacja jest tak silna, że zza horyzontu zdarzeń nie może wydostać się nawet światło.
Naukowcy od lat wykorzystują jednak podobne koncepcje do opisywania zupełnie innych zjawisk.
Jednym z nich jest rozchodzenie się dźwięku.
Zespół kierowany przez badaczy z La Salle, Universitat Ramon Llull w Hiszpanii opracował urządzenie, które działa jak akustyczna pułapka na fale.
Nie przyciąga ono dźwięku grawitacją. Zamiast tego wykorzystuje odpowiednio zaprojektowaną konstrukcję, która zmienia prędkość rozchodzenia się fal i ogranicza ich odbijanie.
Wyniki badań opisano w czasopiśmie „Applied Acoustics”. Pierwszym autorem publikacji jest inżynier Jie Deng, a jednym z badaczy odpowiedzialnych za projekt jest specjalista od akustyki Oriol Guasch.
Dlaczego echo w rurach jest poważnym problemem?
Dźwięk rozchodzi się w postaci fal, które odbijają się od napotykanych powierzchni.
W dużym pomieszczeniu odbicia mogą powodować pogłos. W zamkniętej rurze sytuacja bywa jeszcze bardziej skomplikowana.
Fale akustyczne przemieszczają się wzdłuż kanału, a następnie napotykają zakręt, zmianę średnicy, przeszkodę albo zamknięty koniec.
Część energii wraca wtedy w przeciwnym kierunku.
Tak powstają odbicia, które mogą prowadzić do niepożądanego hałasu oraz zjawisk rezonansowych.
Problem dotyczy wielu instalacji wykorzystywanych każdego dnia.
Występuje w systemach wentylacyjnych, klimatyzacyjnych, kanałach przemysłowych, wyciągach, tłumikach i niektórych instalacjach rurowych.
W takich miejscach kontrolowanie dźwięku bywa trudne, szczególnie gdy urządzenia już działają i nie można łatwo zmienić ich konstrukcji.
Rura może zachowywać się tak, jakby nie miała końca
Nowa technologia wykorzystuje interesującą właściwość fal akustycznych.
W odpowiednio zaprojektowanym kanale można sprawić, że fale będą stopniowo zwalniać podczas przemieszczania się wzdłuż konstrukcji.
Jednocześnie ich długość fali będzie się zmniejszać, a energia coraz silniej koncentrować w określonym obszarze.
W idealnym modelu fala może zbliżać się do końcowego punktu coraz wolniej.
To właśnie ta właściwość stała się inspiracją dla nazwy „czarna dziura dźwiękowa”.
Oriol Guasch wyjaśnia działanie rozwiązania na przykładzie zamkniętego kanału.
Jeżeli człowiek krzyknie w stronę zwykłej rury, po pewnym czasie usłyszy echo odbite od jej końca.
Gdyby jednak na końcu znajdowała się idealna czarna dziura dźwiękowa, odbicie byłoby praktycznie niesłyszalne.
Z punktu widzenia akustyki rura zachowywałaby się niemal tak, jakby była nieskończenie długa.
Czarna dziura dźwiękowa spowalnia fale, zamiast je odbijać
W zwykłym kanale dźwięk może dotrzeć do zakończenia rury, odbić się od niego i wrócić do źródła.
Nowa konstrukcja ma zmienić ten przebieg.
W miarę przemieszczania się przez urządzenie fale stopniowo zwalniają, a ich energia zostaje skoncentrowana w coraz mniejszym obszarze.
Nie oznacza to jednak, że dźwięk dosłownie znika.
Jego energia jest rozpraszana przede wszystkim przez procesy związane z lepkością powietrza, tarciem oraz wymianą ciepła między powietrzem a powierzchniami konstrukcji.
W rezultacie do początku kanału wraca znacznie mniej energii akustycznej.
A to oznacza słabsze echo.
Wcześniejsze rozwiązania miały poważną wadę
Koncepcja akustycznej czarnej dziury nie jest całkowicie nowa.
Problem polegał na sposobie jej wykonania.
W tradycyjnych konstrukcjach wykorzystywano pierścienie i specjalne wnęki rozmieszczone wewnątrz rury.
Geometria kanału zmieniała się stopniowo, dzięki czemu można było kontrolować rozchodzenie się fal.
Takie rozwiązanie wymagało jednak wykonania odpowiedniej struktury bezpośrednio w ścianach przewodu.
W praktyce oznaczało to konieczność zaprojektowania całej rury razem z urządzeniem pochłaniającym dźwięk.
Modernizacja istniejącej instalacji była więc kłopotliwa.
Dodatkowym ograniczeniem był stosunkowo wąski zakres częstotliwości, w którym uzyskiwano pożądany efekt.
Naukowcy odwrócili konstrukcję i stworzyli akustyczną „choinkę”
Badacze postanowili zmienić sposób rozmieszczenia elementów odpowiadających za spowalnianie fal.
Zamiast umieszczać pierścienie w ścianach rury, zamontowali je na centralnym pręcie.
Powstała konstrukcja przypominająca podłużny stożek złożony z wielu pierścieni o stopniowo zmieniającej się średnicy.
Całość może przypominać niewielką choinkę.
Przestrzenie pomiędzy kolejnymi pierścieniami tworzą wnęki, które wpływają na propagację fal akustycznych.
Najważniejsze jest jednak to, że taka konstrukcja stanowi osobny element.
Można ją wyprodukować niezależnie od rury, a następnie po prostu umieścić wewnątrz istniejącego kanału.
To duża różnica w porównaniu z wcześniejszymi rozwiązaniami.
Prototyp miał 15 centymetrów i 29 pierścieni
Naukowcy postanowili sprawdzić, czy pomysł działa poza symulacjami komputerowymi.
Przygotowali fizyczny prototyp wykorzystujący druk 3D.
Urządzenie miało 15 centymetrów długości i składało się z 29 pierścieni zamontowanych na centralnym pręcie.
Następnie umieszczono je w rurze impedancyjnej.
To specjalistyczne stanowisko laboratoryjne służące do badania, jak fale dźwiękowe zachowują się po zetknięciu z określonym materiałem lub konstrukcją.
Pozwala między innymi mierzyć, jaka część energii akustycznej zostaje odbita.
Głośnik i mikrofony pokazały, ile dźwięku wraca
Przebieg eksperymentu był stosunkowo prosty.
Głośnik generował fale akustyczne o różnych częstotliwościach, które następnie przemieszczały się przez rurę.
Mikrofony rejestrowały ich zachowanie i mierzyły natężenie odbitego dźwięku.
Badacze mogli dzięki temu określić, jak dobrze prototyp ogranicza echo.
Wyniki okazały się zgodne z wcześniejszymi przewidywaniami komputerowymi.
Urządzenie skutecznie zmniejszało ilość odbijanych fal akustycznych.
Nie eliminowało jednak odbić całkowicie.
To ważne rozróżnienie: w praktyce naukowcy stworzyli skuteczny absorber akustyczny, a nie urządzenie gwarantujące absolutną ciszę.
Nowy projekt działa w szerszym zakresie częstotliwości
Łatwiejszy montaż nie był jedyną zaletą nowego rozwiązania.
Naukowcy wykorzystali symulacje komputerowe, aby porównać konstrukcję montowaną na centralnym pręcie z tradycyjnymi akustycznymi czarnymi dziurami.
Okazało się, że nowa geometria może ograniczać odbicia w szerszym zakresie częstotliwości.
To bardzo istotne, ponieważ hałas w rzeczywistych instalacjach rzadko składa się z jednego, idealnie określonego tonu.
Zazwyczaj obejmuje wiele częstotliwości jednocześnie.
Urządzenie działające skutecznie w szerszym paśmie może być więc bardziej przydatne w praktycznych zastosowaniach.
Sekret tkwi w rezonansie pomiędzy pierścieniami
Przestrzenie utworzone między kolejnymi pierścieniami nie są przypadkowe.
Każda wnęka wpływa na sposób, w jaki fale dźwiękowe przemieszczają się przez konstrukcję.
Przy określonych częstotliwościach pojawiają się zjawiska rezonansowe.
W tradycyjnych rozwiązaniach mogły one ograniczać zakres częstotliwości, w którym czarna dziura dźwiękowa działała skutecznie.
W nowym projekcie rezonanse występowały przy wyższych częstotliwościach.
Dzięki temu efekt stopniowego spowalniania i pochłaniania fal mógł utrzymywać się w szerszym zakresie.
Symulacje wskazały również, że nowa konstrukcja odbijała mniej dźwięku niż jej tradycyjne odpowiedniki w szerokim paśmie częstotliwości.
Czy czarna dziura dźwiękowa może wyciszyć wentylację?
Jednym z najbardziej oczywistych zastosowań są systemy wentylacyjne i klimatyzacyjne.
W takich instalacjach hałas może rozchodzić się na znaczne odległości przez przewody.
Odbicia fal od zakończeń kanałów, zmian ich geometrii czy innych elementów mogą dodatkowo utrudniać jego ograniczanie.
Możliwość umieszczenia gotowego absorbera wewnątrz istniejącej rury byłaby dużym ułatwieniem.
Nie trzeba byłoby od podstaw projektować całego przewodu.
Podobne rozwiązanie mogłoby znaleźć zastosowanie również w tłumikach akustycznych i instalacjach przemysłowych.
Na razie są to jednak potencjalne kierunki wykorzystania technologii, a nie gotowe produkty wdrożone na szeroką skalę.
Urządzenie musi jeszcze przejść trudniejsze testy
Warunki laboratoryjne są znacznie prostsze niż te panujące w rzeczywistych instalacjach.
W kanałach wentylacyjnych występuje przepływ powietrza, zmienne temperatury i różnice ciśnienia.
W systemach przemysłowych mogą pojawiać się również pył, drobiny materiałów i inne zanieczyszczenia.
To ważne, ponieważ niewielkie wnęki pomiędzy pierścieniami mogą być podatne na zatykanie.
Naukowcy muszą więc sprawdzić, jak konstrukcja zachowuje się podczas długotrwałej pracy i czy utrzymuje swoje właściwości w różnych warunkach.
Dopiero takie badania pokażą, gdzie technologia będzie najbardziej praktyczna.
Następny krok: pochłanianie dźwięku w całych pomieszczeniach
Badacze nie zamierzają ograniczać się wyłącznie do rur.
Rozważają również opracowanie akustycznych czarnych dziur działających w dwóch i trzech wymiarach.
Takie rozwiązania mogłyby otworzyć nowe możliwości kontrolowania dźwięku w pomieszczeniach.
Zamiast koncentrować się na falach rozchodzących się wzdłuż jednego kanału, można byłoby próbować pochłaniać dźwięk docierający z różnych kierunków.
Potencjalnym obszarem zastosowania jest akustyka wnętrz, gdzie ograniczanie pogłosu ma duże znaczenie.
To jednak bardziej odległy etap badań.
Czarna dziura dźwiękowa pokazuje, jak można oszukać echo
Najciekawsze w nowym rozwiązaniu jest połączenie prostego pomysłu konstrukcyjnego z zaawansowaną fizyką fal.
Wystarczyło inaczej rozmieścić pierścienie i wnęki, aby powstało urządzenie, które można niezależnie wyprodukować, wydrukować w 3D i umieścić w istniejącej rurze.
Prototyp o długości 15 centymetrów pokazał, że takie rozwiązanie może skutecznie ograniczać odbicia dźwięku.
Symulacje sugerują dodatkowo, że nowa konstrukcja może działać w szerszym zakresie częstotliwości niż tradycyjne akustyczne czarne dziury.
Czarna dziura dźwiękowa nie ma oczywiście nic wspólnego z pochłanianiem materii przez kosmiczne obiekty.
Wykorzystuje jednak podobnie fascynującą ideę: stworzyć warunki, w których fala dociera do obszaru, z którego praktycznie nie wraca.
Jeżeli dalsze eksperymenty potwierdzą skuteczność rozwiązania w rzeczywistych instalacjach, niewielka konstrukcja z 29 pierścieni może stać się interesującym narzędziem do walki z hałasem.
A wszystko dzięki temu, że naukowcy znaleźli sposób, by echo miało znacznie trudniejszą drogę powrotną.
Badania opublikowano w czasopiśmie Applied Acoustics .