Ο ήχος διαδίδεται παντού γύρω μας, προερχόμενος από αμέτρητες πηγές, ενώ όταν συναντά επιφάνειες ανακλάται και δημιουργεί ηχώ. Η ιδιότητα αυτή τον καθιστά ιδιαίτερα χρήσιμο σε πολλές εφαρμογές, μπορεί όμως να προκαλέσει προβλήματα, ανάλογα με τον χώρο και τις συνθήκες στις οποίες μεταδίδεται.
Χαρακτηριστικό παράδειγμα αποτελούν τα στούντιο ηχογράφησης. Ωστόσο, ένα εξίσου σημαντικό, αλλά λιγότερο προφανές πεδίο όπου οι ανακλάσεις του ήχου δημιουργούν δυσκολίες είναι οι σωληνώσεις. Συστήματα εξαερισμού και κλιματισμού, βιομηχανικοί αγωγοί απαγωγής καυσαερίων, αλλά και υδραυλικές εγκαταστάσεις μπορούν να λειτουργήσουν ως δίοδοι μετάδοσης του ήχου. Όταν τα ηχητικά κύματα συναντούν εμπόδια, αλλαγές στο σχήμα των σωλήνων ή κλειστά άκρα, ενδέχεται να ανακλώνται επανειλημμένα, δημιουργώντας ανεπιθύμητο θόρυβο.
Μια ομάδα επιστημόνων ανέπτυξε τώρα μια νέα συσκευή που φιλοδοξεί να αντιμετωπίσει το πρόβλημα, περιορίζοντας δραστικά τις ανακλάσεις και ουσιαστικά «καταπίνοντας» τον ήχο.
Πρόκειται για την αποκαλούμενη «ηχητική μαύρη τρύπα» (sonic black hole), μια κατασκευή που μπορεί να παραχθεί με τρισδιάστατη εκτύπωση και να τοποθετηθεί απευθείας στο εσωτερικό ενός ήδη υπάρχοντος σωλήνα. Η δυνατότητα αυτή αποτελεί σημαντική εξέλιξη σε σχέση με τις συμβατικές εκδοχές της τεχνολογίας, οι οποίες πρέπει να ενσωματώνονται εξαρχής στον ίδιο τον σωλήνα.
«Φανταστείτε ότι στέκεστε μπροστά σε έναν αεραγωγό που είναι κλειστός στο άλλο άκρο και φωνάζετε μέσα σε αυτόν. Έπειτα από μια σύντομη καθυστέρηση, η οποία εξαρτάται από το μήκος του αεραγωγού, θα ακούσετε την ηχώ να επιστρέφει από το κλειστό άκρο», εξηγεί στο ScienceAlert ο μηχανικός ακουστικής Oriol Guasch, από το πανεπιστήμιο La Salle του Universitat Ramon Llull στην Ισπανία.
«Αν ο αεραγωγός κατέληγε σε μια ηχητική μαύρη τρύπα, ουσιαστικά δεν θα ακούγατε καθόλου ηχώ. Από ακουστική άποψη, θα ήταν σχεδόν σαν ο σωλήνας να είχε άπειρο μήκος, χωρίς κάποιο άκρο από το οποίο ο ήχος θα μπορούσε να ανακλαστεί και να επιστρέψει προς το μέρος σας».
Η σύνδεση με τις αστροφυσικές μαύρες τρύπες
Οι μαύρες τρύπες είναι γνωστές ως αστροφυσικά αντικείμενα με εξαιρετικά μεγάλη πυκνότητα, των οποίων η βαρύτητα καμπυλώνει τον χωροχρόνο γύρω τους και δημιουργεί έναν ορίζοντα πέρα από τον οποίο ούτε το φως μπορεί να διαφύγει.
Επειδή η άμεση μελέτη τους είναι εξαιρετικά δύσκολη, οι φυσικοί έχουν αναπτύξει εργαστηριακά ανάλογα που αναπαράγουν ορισμένες πτυχές της συμπεριφοράς τους, χρησιμοποιώντας ακόμη και φαινόμενα που δεν σχετίζονται άμεσα με τη βαρύτητα.
Η συσκευή που ανέπτυξαν ο Guasch και οι συνεργάτες του, στο πλαίσιο έρευνας με πρώτο συγγραφέα τον μηχανικό Jie Deng, από το ίδιο πανεπιστήμιο, ακολουθεί διαφορετική προσέγγιση. Δεν επιχειρεί να προσομοιώσει τη βαρυτική φυσική μέσω του ήχου, αλλά αξιοποιεί μια ιδιαίτερη ιδιότητα των ηχητικών κυμάτων: υπό κατάλληλες συνθήκες, μπορούν να επιβραδύνονται προοδευτικά, μέχρι να φαίνεται ότι δεν φτάνουν ποτέ στο τέλος της διαδρομής τους.
Το φαινόμενο θυμίζει το περίφημο παράδοξο της διχοτομίας του αρχαίου Έλληνα φιλοσόφου Ζήνωνα. Σύμφωνα με αυτό, ένας ταξιδιώτης πρέπει πρώτα να διανύσει τη μισή απόσταση μέχρι τον προορισμό του, στη συνέχεια τη μισή απόσταση που απομένει και ούτω καθεξής, με αποτέλεσμα να φαίνεται ότι δεν θα φτάσει ποτέ.
Στην περίπτωση της ηχητικής μαύρης τρύπας, ωστόσο, το κύμα πράγματι επιβραδύνεται καθώς προχωρά μέσα στη δομή.
«Αυτό που συμβαίνει στο κύμα καθώς πλησιάζει στο τέλος μιας ηχητικής μαύρης τρύπας μοιάζει σε κάποιο βαθμό με αυτό που παρατηρεί ένας εξωτερικός παρατηρητής κοντά σε μια αστροφυσική μαύρη τρύπα: το κύμα φαίνεται να χρειάζεται άπειρο χρόνο για να φτάσει στο οριακό σημείο», εξηγεί ο Guasch.
«Στην ιδανική περίπτωση, όταν ένα κύμα εισέλθει στην ηχητική μαύρη τρύπα, δεν επιστρέφει ποτέ».
Η κατασκευή που παγιδεύει και απορροφά τον ήχο
Παρά την ονομασία της, η ηχητική μαύρη τρύπα δεν είναι μια πραγματική τρύπα ή ένας κενός χώρος. Είναι μια προσεκτικά σχεδιασμένη κατασκευή που μεταβάλλει τον τρόπο με τον οποίο ο ήχος διαδίδεται μέσα σε έναν σωλήνα.
Στις συμβατικές εκδοχές, μια σειρά από δακτυλίους και κοιλότητες τοποθετούνται κατά μήκος του εσωτερικού του σωλήνα. Η διάταξή τους επιβραδύνει σταδιακά τα ηχητικά κύματα, μειώνει το μήκος κύματός τους και συγκεντρώνει την ενέργειά τους σε όλο και μικρότερη περιοχή.
Η συγκεκριμένη προσέγγιση έχει, ωστόσο, σημαντικούς περιορισμούς. Οι δακτύλιοι και οι κοιλότητες πρέπει να ενσωματώνονται στον σωλήνα κατά την κατασκευή του, γεγονός που δυσκολεύει την εγκατάστασή τους σε υφιστάμενες υποδομές. Παράλληλα, το φαινόμενο λειτουργεί αποτελεσματικά μόνο σε ένα περιορισμένο εύρος συχνοτήτων.
Ο Deng, ο Guasch και οι συνεργάτες τους επιχείρησαν να αντιμετωπίσουν και τα δύο προβλήματα ανατρέποντας τη συμβατική σχεδιαστική λογική. Αντί για μια δομή που θυμίζει χωνί, δημιούργησαν μια κατασκευή που μοιάζει με «ηχητικό χριστουγεννιάτικο δέντρο».
«Η ιδέα είναι εκπληκτικά απλή και λειτουργεί πολύ καλά», αναφέρει ο Guasch. «Από πρακτική άποψη, η ηχητική μαύρη τρύπα μπορεί να κατασκευαστεί ανεξάρτητα από τον αεραγωγό και στη συνέχεια απλώς να τοποθετηθεί στο εσωτερικό του».
Η νέα διάταξη αποτελείται από μια σειρά δακτυλίων στερεωμένων πάνω σε μια κεντρική ράβδο. Οι διάμετροί τους μεταβάλλονται σταδιακά κατά μήκος της κατασκευής, ενώ τα κενά μεταξύ τους σχηματίζουν κοιλότητες που επηρεάζουν τη διάδοση του ήχου.
Όταν το ηχητικό κύμα εισέρχεται από το άκρο της δομής, επιβραδύνεται προοδευτικά, το μήκος κύματός του μειώνεται και η ενέργειά του συγκεντρώνεται προς το απέναντι άκρο.
Σε αυτό το σημείο ενεργοποιείται ο μηχανισμός που περιορίζει την ηχώ. Αντί η συγκεντρωμένη ηχητική ενέργεια να ανακλάται προς τα πίσω, μεγάλο μέρος της διαχέεται μέσω της τριβής και της ανταλλαγής θερμότητας ανάμεσα στον αέρα και τις επιφάνειες της συσκευής. Έτσι, μειώνεται η ενέργεια που θα μπορούσε να επιστρέψει ως ηχητική ανάκλαση.
Το πείραμα με τους 29 δακτυλίους
Για να ελέγξουν την αποτελεσματικότητα της κατασκευής, οι ερευνητές δημιούργησαν ένα πρωτότυπο με τρισδιάστατη εκτύπωση. Η συσκευή είχε μήκος 15 εκατοστών και αποτελούνταν από 29 δακτυλίους στερεωμένους σε μια κεντρική ράβδο.
Στη συνέχεια, τοποθέτησαν το πρωτότυπο σε έναν σωλήνα ακουστικής εμπέδησης, μια εργαστηριακή διάταξη που χρησιμοποιείται για τη μέτρηση της συμπεριφοράς των ηχητικών κυμάτων όταν συναντούν ένα υλικό ή μια δομή.
Οι δοκιμές πραγματοποιήθηκαν με τη χρήση ηχείου, το οποίο εξέπεμπε ηχητικά κύματα διαφορετικών συχνοτήτων μέσα στον σωλήνα, και μικροφώνων που κατέγραφαν πόσος ήχος ανακλάτο προς τα πίσω.
Τα αποτελέσματα ήταν ενθαρρυντικά. Η ποσότητα του ήχου που ανακλάστηκε από τη συσκευή συμφωνούσε σε γενικές γραμμές με τις προβλέψεις των υπολογιστικών προσομοιώσεων. Ωστόσο, οι ερευνητές διευκρινίζουν ότι η κατασκευή δεν εξάλειψε πλήρως τις ανακλάσεις.
Η ομάδα χρησιμοποίησε επίσης υπολογιστικές προσομοιώσεις για να συγκρίνει τη νέα, ανεξάρτητη κατασκευή με μια συμβατική ηχητική μαύρη τρύπα. Τα αποτελέσματα υποδεικνύουν ότι η νέα γεωμετρία μπορεί να προσφέρει πρόσθετα πλεονεκτήματα, πέρα από την ευκολία εγκατάστασης.
«Ένα ακόμη σημαντικό πλεονέκτημα είναι ότι το εύρος συχνοτήτων στο οποίο η συσκευή συμπεριφέρεται ως ηχητική μαύρη τρύπα είναι σημαντικά μεγαλύτερο σε σχέση με τη συμβατική διαμόρφωση», εξηγεί ο Guasch.
Σύμφωνα με τις προσομοιώσεις, η νέα κατασκευή ανακλά επίσης λιγότερο ήχο από τη συμβατική σε ένα ευρύ φάσμα συχνοτήτων.
Η διαφορά σχετίζεται με τον συντονισμό των κοιλοτήτων ανάμεσα στους δακτυλίους. Οι κοιλότητες αυτές συντονίζονται σε συγκεκριμένες συχνότητες, επηρεάζοντας τον τρόπο με τον οποίο η συσκευή απορροφά την ηχητική ενέργεια.
Στη νέα σχεδίαση, οι συντονισμοί εμφανίζονται σε υψηλότερες συχνότητες, επιτρέποντας στη συσκευή να διατηρεί τη λειτουργία της ως ηχητική μαύρη τρύπα σε μεγαλύτερο εύρος συχνοτήτων.
Από τους αεραγωγούς στην ακουστική των κτιρίων
Η πιο άμεση εφαρμογή της τεχνολογίας αφορά τον έλεγχο του θορύβου, ειδικά σε αεραγωγούς και σιγαστήρες, όπου οι ανεπιθύμητες ανακλάσεις μπορούν να δημιουργήσουν σημαντικά προβλήματα.
Οι ερευνητές εξετάζουν, ωστόσο, και ευρύτερες δυνατότητες. Συγκεκριμένα, μελετούν αν μπορούν να αναπτύξουν ηχητικές μαύρες τρύπες που θα λειτουργούν σε δύο και τρεις διαστάσεις, με πιθανές εφαρμογές στην ακουστική εσωτερικών χώρων.
Η τεχνολογία βρίσκεται ακόμη σε πειραματικό στάδιο και υπάρχουν εμπόδια που πρέπει να ξεπεραστούν πριν αξιοποιηθεί σε πραγματικές συνθήκες. Ανάμεσά τους περιλαμβάνονται η πιθανότητα συσσώρευσης σωματιδίων που θα μπορούσαν να φράξουν τις κοιλότητες, καθώς και οι επιπτώσεις που έχουν στη λειτουργία της συσκευής οι μεταβολές της θερμοκρασίας και της πίεσης, αλλά και η ροή του αέρα.
Παρά τις προκλήσεις, ο Guasch εκτιμά ότι η πρόοδος στον έλεγχο των ηχητικών κυμάτων ανοίγει νέες δυνατότητες για την αντιμετώπιση προβλημάτων που μέχρι πρόσφατα θεωρούνταν ιδιαίτερα δύσκολα.
«Προσωπικά, αυτό που βρίσκω πιο συναρπαστικό είναι η φυσική και τα μαθηματικά που κρύβονται πίσω από όλα αυτά, καθώς και ο τρόπος με τον οποίο συνδυάζονται διαφορετικά γνωστικά πεδία που αρχικά μπορεί να φαίνονται εντελώς άσχετα μεταξύ τους», αναφέρει στο ScienceAlert.
«Και, φυσικά, το επίπεδο ελέγχου των κυμάτων που μπορούμε πλέον να επιτύχουμε θα έμοιαζε πιθανότατα με επιστημονική φαντασία πριν από μερικά χρόνια».
Η έρευνα δημοσιεύθηκε στο επιστημονικό περιοδικό Applied Acoustics.
