5 Minute
Curcubeu acustic: transformarea zgomotului alb în tonuri separate
Un dispozitiv compact din plastic, dezvoltat de cercetători de la Universitatea Tehnică din Danemarca, direcționează componentele de frecvență ale zgomotului alb către locații spațiale distincte, producând ceea ce echipa numește un „curcubeu acustic”. În mod similar cu un curcubeu optic care dispersează lumina vizibilă în culori separate după lungimea de undă, acest dispozitiv separă undele sonore după înălțimea lor tonală, astfel încât anumite frecvențe sunt amplificate în poziții specifice în jurul structurii.
Munca, publicată pe 13 iunie în Science Advances de un grup din care face parte fizicianul Rasmus Christiansen, oferă un nou instrument pentru manipularea câmpurilor acustice la scară mică. PrototiPulul are aproximativ dimensiunea urechii externe umane și a fost imprimat 3D după ce echipa a folosit metode computaționale avansate pentru a optimiza geometria internă complexă.
Cum funcționează: fizică, proiectare și experimente
Sunetul este un fenomen ondulator; diferite înălțimi tonale corespund lungimi de undă diferite. Curcubeul acustic se bazează pe distribuția atent aranjată a unor stâlpi neregulați în interiorul cochiliei. Acești stâlpi împrăștie și reflectă undele incidente, astfel încât ele se intersectează și interacționează. Interferența undelor poate amplifica (interferență constructivă) sau diminua (interferență distructivă) sunetul în puncte specifice. Prin proiectarea locului și modului în care are loc această interferență acustică, dispozitivul concentrează benzi de frecvență particulare în locații diferite, creând o hartă spațială a frecvențelor.
O sursă sonoră centrală din prototip a emis tonuri în gama 8–13 kilohertz — frecvențe mult peste cea mai înaltă notă a unui pian și către limita superioară a auzului uman. Concentrarea pe frecvențe înalte le-a permis cercetătorilor să păstreze dispozitivul compact; obținerea aceleiași separări spațiale pentru frecvențe joase ar necesita o structură mai mare, deoarece lungimile de undă mai mari necesită mai mult spațiu fizic pentru a fi manipulate.
Design invers și prototipare
Proiectarea unei structuri care să producă un câmp sonor țintă este o problemă inversă complexă. În loc să ghicească o formă și să o testeze, echipa a folosit design invers: un model pe calculator prezice câmpul acustic generat de o geometrie candidată, compară acel câmp cu separarea spațială dorită a frecvențelor și ajustează iterativ geometria până când simularea corespunde obiectivului. După optimizare, geometria finală a fost realizată prin imprimare 3D și validată prin măsurători de laborator. Christiansen a remarcat că stâlpii interni par neregulați sau chiar haotici, însă această aparentă aleatorietate rezultă dintr-o optimizare precisă pentru a atinge obiectivele acustice.
Aplicații potențiale, limitări și perspective viitoare
Controlul acustic la acest nivel poate fi util în mai multe domenii: acustica direcționată a încăperilor, unde anumite frecvențe sunt dirijate către absorbante pentru a reduce reverberațiile; redare spațială a sunetului pentru sisteme audio imersive; senzori acustici noninvazivi; și dispozitive de laborator care necesită livrare selectivă în frecvență a sunetului. Deoarece prototipul actual operează la frecvențe înalte, aplicațiile imediate sunt mai probabile în domenii în care aceste frecvențe sunt relevante, cum ar fi inspecția ultrasonică sau cercetarea audio de precizie.
Scalabilitatea rămâne o provocare: tratarea sunetelor cu frecvență mai joasă necesită dispozitive mai mari, iar mediile din lumea reală adaugă complexitate, precum reflexii neașteptate, surse în mișcare și zgomot de fond. Totuși, combinația dintre design invers, fabricație aditivă și fizica undelor deschide calea către dispozitive acustice personalizate care pot modela câmpuri sonore într-un mod greu de obținut cu materiale convenționale.
Expertiză
Dr. Elena Marquez, inginer acustician la un institut de cercetare european (neimplicată în studiu), a comentat: „Această lucrare demonstrează cum designul computațional poate genera geometrie neintuitivă pentru proiectanții umani, dar extrem de eficientă din punct de vedere acustic. Pasul următor va fi testarea robusteții în camere realiste și extinderea abordării către regimuri broadband sau frecvențe mai joase.”
Concluzie
Dispozitivul de tip curcubeu acustic ilustrează o metodă nouă pentru separarea spațială a sunetului după frecvență, combinând design invers și imprimare 3D. Prin direcționarea diferitelor înălțimi tonale către locații distincte prin interferență controlată, prototipul deschide posibilități noi pentru controlul sunetului, audio imersiv și aplicații de precizie care necesită livrare acustică selectivă. În timp ce demonstrațiile curente se concentrează pe frecvențe înalte pentru a menține dimensiunile reduse, lucrări viitoare ar putea extinde conceptul pe benzi mai largi, integra elemente adaptive și adapta metoda la sarcini practice de inginerie acustică.
Sursa: snexplores
Comentarii