Fizicienii au creat o gaură neagră într-un laborator. Apoi, aceasta a înghiţit sunetul

Sunetul poate fi o adevărată provocare atunci când vine vorba de controlul şi manipularea lui. Acesta umple lumea din jurul nostru, provenind din nenumărate surse şi reflectându-se de pe suprafeţe sub formă de ecouri – o proprietate care îl face extrem de util, dar şi profund problematic, în funcţie de locul şi modul în care se produc reverberaţiile.

Există anumite situaţii în care ecourile pot crea probleme. Cel mai evident exemplu îl reprezintă studiourile de înregistrări audio, însă un alt domeniu important în care acestea constituie o problemă este probabil mai puţin evident, din cauza că este mult mai răspândit: conductele.

Să ne gândim la sistemele de ventilaţie, aer condiţionat, evacuare industrială sau chiar la instalaţiile sanitare. Sunetul se propagă prin spaţiile delimitate de aceste conducte şi tubulaturi, iar atunci când întâlneşte un obstacol, o schimbare de formă sau un capăt închis, poate începe să se reflecte în toate direcţiile.

Oamenii de ştiinţă au dezvoltat un dispozitiv ingenios, capabil să reducă semnificativ aceste reflexii, printr-un mecanism care practic “înghite” sunetul.

Dispozitivul se numeşte “gaură neagră acustică” (sonică), iar noul model poate fi realizat prin imprimare 3D şi introdus direct într-o conductă existentă – un progres major faţă de modelele convenţionale, care necesită integrarea găurii negre în structura conductei încă din faza de fabricaţie.

“Imaginaţi-vă că staţi în faţa unei conducte închise la capătul îndepărtat şi strigaţi în interiorul ei. După o scurtă întârziere, care depinde de lungimea conductei, veţi auzi ecoul întorcându-se de la capătul acesteia”, a explicat pentru ScienceAlert inginerul specializat în acustică Oriol Guasch, de la Universitatea La Salle, Universitatea Ramon Llull din Spania.

“Dacă acea conductă ar avea montată la capăt o gaură neagră acustică, practic nu aţi mai auzi deloc ecoul. Din punct de vedere acustic, ar fi aproape ca şi cum tubul ar avea o lungime infinită, fără un capăt de la care sunetul să se poată reflecta înapoi spre dumneavoastră”, a continuat el.

Găurile negre sunt cunoscute în special ca obiecte astrofizice, regiuni ale spaţiului cu o densitate atât de mare încât gravitaţia lor deformează spaţiu-timpul din jur, formând un orizont sferic dincolo de care nici măcar lumina nu poate scăpa.

Există numeroase motive pentru care nu putem studia aceste obiecte de aproape, astfel că fizicienii au conceput metode alternative, creând analogii de laborator care reproduc anumite aspecte ale comportamentului găurilor negre. Uneori, aceste experimente se bazează pe fenomene care nu au aproape nicio legătură cu gravitaţia.

Însă “gaura neagră” dezvoltată de Guasch şi colegii săi, descrisă într-un studiu al cărui prim autor este inginerul Jie Deng, de la Universitatea La Salle, Universitatea Ramon Llull, reprezintă un alt tip de dispozitiv, inspirat de ceea ce poate face o gaură neagră.

În loc să folosească sunetul pentru a simula fenomenele fizicii gravitaţionale, dispozitivul este conceput pentru a exploata o proprietate neobişnuită a undelor sonore: în condiţii adecvate, acestea pot fi încetinite progresiv, până când, practic, nu mai ajung niciodată la capătul traseului lor.

Fenomenul seamănă într-o anumită măsură cu celebrul paradox al dihotomiei formulat de filosoful grec antic Zenon. În acest paradox, un călător trebuie să parcurgă mai întâi jumătate din distanţa rămasă până la destinaţie, apoi jumătate din distanţa rămasă din nou şi aşa mai departe, părând că nu va ajunge niciodată la destinaţie.

Diferenţa este că, în cazul unei găuri negre acustice, unda chiar încetineşte pe măsură ce înaintează.

“Ceea ce se întâmplă cu unda atunci când se apropie de capătul unei găuri negre acustice seamănă într-o anumită măsură cu ceea ce observă un observator extern în apropierea unei găuri negre astrofizice: unda pare să aibă nevoie de un timp infinit pentru a ajunge la punctul-limită”, a explicat Guasch. “În cazul ideal, odată ce o undă intră în gaura neagră acustică, aceasta nu mai iese”.

Secretul dispariţiei sunetului se află în designul dispozitivului. Aşa cum o gaură neagră astrofizică nu este, de fapt, o gaură propriu-zisă, nici versiunea acustică nu este una. Este o structură proiectată cu precizie, care modifică modul în care sunetul se propagă printr-o conductă.

În modelele convenţionale, o serie de inele şi cavităţi sunt dispuse de-a lungul interiorului conductei, astfel încât undele sonore să încetinească progresiv pe măsură ce se deplasează prin aceasta. Lungimile lor de undă devin mai scurte, iar energia lor se concentrează din ce în ce mai mult.

Există însă o problemă. Aceste structuri trebuie integrate direct în conducte, de obicei fiind fabricate împreună cu acestea, ceea ce face dificilă instalarea lor în sisteme deja existente. În plus, efectul de gaură neagră funcţionează doar într-un interval limitat de frecvenţe sonore.

Deng, Guasch şi colegii lor s-au întrebat dacă ar putea rezolva ambele probleme inversând întregul concept – creând un fel de brad de Crăciun acustic, în locul unei structuri în formă de pâlnie.

“Conceptul este surprinzător de simplu şi funcţionează foarte bine”, a declarat Guasch. “Din punct de vedere practic, gaura neagră acustică poate fi fabricată independent de conductă şi apoi introdusă pur si simplu în interiorul acesteia”.

Designul echipei constă într-o serie de inele montate pe o tijă centrală, ale căror diametre se modifică treptat de-a lungul acesteia. Spaţiile dintre inele formează cavităţi care influenţează modul în care sunetul se propagă prin conductă.

Pe măsură ce sunetul pătrunde în structură prin extremitatea acesteia, viteza sa scade, lungimea de undă devine progresiv mai scurtă, iar energia se concentrează spre capătul îndepărtat.

Aici intervine mecanismul prin care sunetul pare să dispară. În loc să fie pur si simplu reflectată înapoi, o mare parte din energia sonoră concentrată este disipată prin frecare şi schimb de căldură între aer şi suprafeţele dispozitivului. Astfel, rămâne mult mai puţină energie care să se întoarcă sub formă de ecou.

Cercetătorii au testat dispozitivul folosind un prototip realizat prin imprimare 3D. Acesta avea o lungime de 15 centimetri şi era alcătuit din 29 de inele montate pe o tijă centrală. Ulterior, prototipul a fost introdus într-un tub de impedanţă – un aparat de laborator utilizat pentru măsurarea comportamentului undelor sonore atunci când întâlnesc un material sau o structură.

Apoi, cercetătorii au folosit un difuzor pentru a transmite unde sonore la diferite frecvenţe prin conductă şi microfoane pentru a măsura cantitatea de sunet reflectată înapoi.

Rezultatele au fost destul de promiţătoare. Cantitatea de sunet reflectată de gaura neagră acustică a corespuns, în linii mari, simulărilor realizate pe calculator de echipă, deşi este important de menţionat că ecourile nu au fost eliminate complet.

Cercetătorii au utilizat, de asemenea, simulări computerizate pentru a compara modelul lor detaşabil cu o gaură neagră acustică convenţională.

Aceste simulări au sugerat că noua geometrie ar putea avea avantaje care depăşesc simpla modularitate şi uşurinţa instalării.

“Un alt avantaj important este că intervalul de frecvenţe în care dispozitivul se comportă ca o gaură neagră acustică este considerabil mai larg decât în configuraţia convenţională”, a explicat Guasch.

Simulările au arătat, de asemenea, că noul model reflectă mai puţin sunet decât varianta convenţională, într-un interval larg de frecvenţe. Acest lucru se datorează faptului că spaţiile dintre inelele unei găuri negre acustice intră în rezonanţă la anumite frecvenţe sonore, modificând modul în care dispozitivul absoarbe sunetul.

În noul model, cercetătorii au descoperit că aceste rezonanţe apar la frecvenţe mai înalte, permiţând efectului de gaură neagră să funcţioneze într-un interval mai larg de frecvenţe.

Cele mai evidente aplicaţii imediate ale acestei tehnologii sunt legate de controlul zgomotului, în special în sistemele de conducte şi amortizoarele de zgomot, acolo unde sunetul reflectat poate crea probleme.

Cercetătorii privesc deja dincolo de conducte şi investighează posibilitatea dezvoltării unor găuri negre acustice în două şi trei dimensiuni, care ar putea avea aplicaţii în acustica încăperilor.

Există încă provocări care trebuie depăşite înainte ca aceste mici structuri asemănătoare unor brazi de Crăciun să poată fi utilizate în condiţii reale. Diferitele medii de funcţionare aduc probleme distincte, de la particulele care ar putea înfunda cavităţile până la efectele temperaturii, presiunii şi circulaţiei aerului.

Cercetarea a fost publicată în revista ştiinţifică Applied Acoustics.