3 Minuten
Kompaktiškas plastikinis įtaisas, sukurtas Danijos technikos universiteto (Technical University of Denmark) mokslininkų, nukreipia baltojo triukšmo skirtingus dažnių komponentus į atskiras erdvines vietas, sukeldamas tai, ką komanda vadina akustine vaivorykšte. Panašiai kaip optinė vaivorykštė išsklaido matomą šviesą pagal bangos ilgį, šis įtaisas skiria garso bangas pagal aukštį, todėl konkrečios dažnių juostos yra sustiprintos tam tikrose struktūros vietose.
Darbas, apie kurį birželio 13 d. pranešta Science Advances ir kuriame dalyvavo fizikas Rasmus Christiansen, suteikia naują priemonę akustinių laukų valdymui mažose skalėse. Prototipas yra maždaug išorinio žmogaus ausies dydžio ir buvo pagamintas 3D spausdinimu po to, kai komanda panaudojo pažangias skaičiavimo metodikas, kad optimizuotų sudėtingą vidinę geometriją.
Kaip veikia įtaisas: fizika, dizainas ir bandymai
Garso savybė yra banginė; skirtingi aukščiai atitinka skirtingus bangos ilgius. Akustinė vaivorykštė remiasi kruopščiai išdėstytais, nereguliarios formos kolonėlėmis apvalkale. Šios kolonėlės sklaido ir atspindi įeinančias bangas, todėl jos kertasi ir interferuoja. Bangų interferencija gali sustiprinti garsą (konstruktyvi interferencija) arba sumažinti jį (destruktyvi interferencija) tam tikrose vietose. Sudėliojus, kur ir kaip vyksta interferencija, įtaisas koncentruoja tam tikras dažnių juostas skirtingose padėtyse, sukuriant erdvinį dažnių žemėlapį.
Prototipe centrinis garso šaltinis skleidė tonus 8–13 kilohercų diapazone — dažnius, kurie gerokai viršija aukščiausią pianino garsą ir yra arti žmogaus klausos ribos. Dėmesys aukštiems dažniams leido tyrėjams išlaikyti įtaiso kompaktiškumą; tokio paties erdvinio skirstymo pasiekimas žemesniems dažniams reikalautų didesnės konstrukcijos, nes ilgesni bangos ilgiai reikalauja daugiau fizinės erdvės manipuliacijai.
Inversinis dizainas ir prototipavimas
Sukurti struktūrą, kuri generuotų pageidaujamą garso lauką, yra sudėtinga inversinė užduotis. Vietoj to, kad būtų spėliojama forma ir bandoma, komanda naudojo inversinį dizainą: kompiuterinis modelis prognozuoja akustinį lauką, kurį sukuria kandidatės geometrijos variantas, lygina šį lauką su pageidaujamu dažnių erdviniu paskirstymu ir iteratyviai koreguoja geometriją, kol simuliacija atitinka tikslą. Po optimizavimo galutinė geometrija buvo įgyvendinta 3D spausdinimu ir patikrinta laboratoriniais matavimais. Christiansen pažymėjo, kad vidinės kolonėlės atrodo nereguliarios arba net chaotiškos, tačiau ši regima atsitiktinumas iš tikrųjų yra tikslios optimizacijos rezultatas, skirtas akustiniams tikslams pasiekti.
Galimos paskirtys, apribojimai ir perspektyvos
Tokio lygio garso valdymas gali būti naudingas keliose srityse: tikslinga patalpų akustika, kur tam tikri dažniai nukreipiami į sugeriančias medžiagas reverberacijai mažinti; erdvinė audio atvaizdavimo sistemoms, skirtoms įtraukiančiai garsinei patirčiai; neinvazinėms akustinėms jutiklėms; bei laboratorinėms priemonėms, kurioms reikalingas dažnių selektyvus garso tiekimas. Kadangi dabartinis prototipas veikia aukštų dažnių diapazone, jo artimiausios taikymo sritys greičiausiai bus tose srityse, kur aukšti dažniai yra svarbūs, pavyzdžiui, ultragarsinėje patikroje arba tiksliųjų audio tyrimų laboratorijose.
Mastelio didinimas išlieka iššūkiu: žemesnių dažnių valdymas reikalauja didesnių įrenginių, o realios aplinkos sukelia papildomą sudėtingumą, pvz., atspindžius, judančius šaltinius ir foninį triukšmą. Vis dėlto inversinio dizaino, priedinio gaminimo (3D spausdinimo) ir bangų fizikos derinys atveria kelią pritaikomiems akustiniams sprendimams, galintiems formuoti garso laukus būdais, kurių neįmanoma pasiekti tradicinėmis medžiagomis.
Eksperto įžvalga
Dr. Elena Marquez, Europos tyrimų instituto akustikos inžinierė, nebuvo tiesiogiai susijusi su tyrimu ir komentavo, kad darbas parodo, kaip kompiuterinis dizainas gali sukurti geometrijas, kurios būtų intuityviai netipinės žmogaus dizaineriui, bet labai veiksmingos akustiškai. Ji pridūrė, kad kitas žingsnis bus išbandyti sprendimo atsparumą realioms patalpoms ir išplėsti požiūrį į platesnį dažnių spektrą arba žemesnius dažnius.
Išvada
Akustinė vaivorykštė iliustruoja naują būdą erdviškai atskirti garsą pagal dažnį, panaudojant inversinį dizainą ir 3D spausdinimą. Nukreipdama skirtingus aukščius į skirtingas vietas per kontroliuojamą interferenciją, prototipo koncepcija atveria naujas galimybes garso valdymui, erdvinei audio patirčiai ir tikslinėms programoms, kurioms reikalingas erdvinis dažnių selektyvumas. Nors dabartiniai bandymai koncentruojasi į aukštus dažnius, kad įtaisas išliktų kompaktiškas, tolesni darbai gali išplėsti koncepciją platesnėms juostoms, integruoti adaptacines dalis ir pritaikyti metodą praktiniams akustikos inžinerijos uždaviniams.
Quelle: snexplores
Kommentare