5 دقیقه
رنگینکمان آکوستیک: تبدیل نویز سفید به نت‌های مرتب
یک دستگاه پلاستیکی کوچک که توسط پژوهشگران دانشگاه فنی دانمارک توسعه یافته، اجزای فرکانسی مختلف نویز سفید را به موقعیت‌های فضایی متفاوت هدایت میکند و آنچه تیم آن را «رنگینکمان آکوستیک» نامیده است، پدید می‌آورد. درست همان‌طور که یک رنگینکمان نوری نور مرئی را بر اساس طول‌موج به رنگ‌های جداگانه می‌پراکند، این سازه نیز امواج صوتی را براساس زیر و بمی جدا میکند تا فرکانسهای معین در نقاط مشخصی اطراف ساختار تقویت شوند.
این کار که گروهی از جمله فیزیکدان راسموس کریستیانسن در مقاله‌ای که در تاریخ 13 ژوئن در Science Advances منتشر شد گزارش کردند، ابزار جدیدی برای مهار میدان‌های آکوستیک در مقیاس‌های کوچک ارائه می‌دهد. نمونهٔ اولیه تقریباً به اندازه گوش بیرونی انسان است و پس از به‌کارگیری روش‌های محاسباتی پیشرفته برای بهینه‌سازی هندسهٔ داخلی پیچیده، با چاپ سهبعدی ساخته شد.
نحوه عملکرد دستگاه: فیزیک، طراحی و آزمایش‌ها
صدا پدیده‌ای موجی است؛ زیر و بمی‌های متفاوت متناظر با طولموجهای مختلف‌اند. رنگینکمان آکوستیک بر ستونهای نامنظم و چیده‌شده درون پوسته متکی است. این ستون‌ها امواج ورودی را پراکنده و بازتاب میکنند تا مسیرها تلاقی کرده و تداخل ایجاد شود. تداخل موج می‌تواند در نقاط خاصی صدا را تقویت (تداخل سازنده) یا تضعیف (تداخل مخرب) کند. با مهندسی موضع و شیوهٔ وقوع این تداخل‌ها، دستگاه باندهای فرکانسی مشخصی را در مکانهای متفاوت متمرکز میکند و در نتیجه نگاشت فضایی از زیر و بمی‌ها ایجاد می‌نماید.
منبع صوتی مرکزی در نمونهٔ اولیه تن‌هایی در بازهٔ 8 تا 13 کیلوهرتز منتشر می‌کرد — فرکانس‌هایی که بسیار بالاتر از بلندترین نت پیانو و نزدیک به بالاترین محدوده شنوایی انسان‌اند. تمرکز بر فرکانسهای بالا به پژوهشگران امکان داد تا دستگاه را کوچک نگه دارند؛ ایجاد همان جداسازی فضایی برای فرکانسهای پایینتر نیازمند سازهای بزرگتر است، زیرا طولموجهای بلندتر فضای فیزیکی بیشتری برای دست‌کاری می‌طلبند.
طراحی معکوس و نمونه‌سازی
طراحی ساختاری که میدان صوتی مورد نظر را تولید کند، یک مسئلهٔ معکوس پیچیده است. به جای حدس زدن یک شکل و آزمایش آن، تیم از طراحی معکوس استفاده کرد: مدل رایانه‌ای میدان آکوستیکی که توسط یک هندسهٔ پیشنهادی تولید میشود را پیشبینی میکند، آن میدان را با جداسازی فضایی فرکانسهای هدف مقایسه میکند و هندسه را بهصورت تکراری تنظیم می‌نماید تا خروجی شبیهسازیشده با هدف همخوان شود. پس از بهینه‌سازی، هندسهٔ نهایی با چاپ سهبعدی ساخته شد و در اندازه‌گیری‌های آزمایشگاهی تأیید گردید. کریستیانسن اشاره کرد که ستونهای داخلی ممکن است نامنظم یا حتی آشوبناک به‌نظر برسند، اما این ظاهری بودن تصادفی نیست و نتیجهٔ بهینه‌سازی دقیق برای تحقق اهداف آکوستیکی است.
کاربردهای بالقوه، محدودیتها و چشم‌انداز آینده
کنترل آکوستیک در این سطح می‌تواند در زمینه‌های متعددی مفید باشد: آکوستیک هدفمند فضاها که در آن فرکانسهای مشخص به سمت جذب‌کننده‌ها هدایت می‌شوند تا بازتاب کاهش یابد؛ تولید صدای مکانی برای سیستم‌های صوت فراگیر؛ حسگری آکوستیک غیرتهاجمی؛ و دستگاه‌های آزمایشگاهی که نیاز به تحویل صوت انتخابی با فرکانس مشخص دارند. از آنجا که نمونهٔ فعلی در فرکانسهای بالا کار میکند، کاربردهای فوری آن احتمالاً در حوزه‌هایی است که فرکانسهای بالا مورد استفاده‌اند، مانند بازرسی فراصوتی یا پژوهش‌های دقیق صوتی.
قابلیت مقیاسپذیری همچنان چالش‌برانگیز است: رسیدگی به صداهای فرکانس پایینتر به معنی دستگاه‌های بزرگتر است و محیطهای دنیای واقعی پیچیدگی‌هایی مانند بازتابها، منابع متحرک و نویز زمینه‌ای را اضافه میکنند. با این حال، ترکیب طراحی معکوس، تولید افزودنی و فیزیک موج‌ها مسیری را برای ساخت دستگاه‌های آکوستیکی سفارشی باز میکند که می‌توانند میدان‌های صوتی را به شیوه‌هایی شکل دهند که با مواد معمولی قابل دستیابی نیست.
دیدگاه یک کارشناس
دکتر النا مارکز، مهندس آکوستیک در یک مؤسسهٔ پژوهشی اروپایی (که در این مطالعه مشارکت نداشت)، اظهار داشت: «این کار نشان می‌دهد که چگونه طراحی محاسباتی می‌تواند هندسه‌هایی تولید کند که برای طراحان انسانی بدیهی یا پیش‌بینی‌شدنی نیستند اما از نظر آکوستیکی بسیار کارا هستند. گام بعدی آزمون پایداری در اتاق‌های واقعی و توسعهٔ رویکرد برای باندهای پهن‌تر یا رژیم‌های فرکانس پایینتر خواهد بود.»
نتیجه‌گیری
دستگاه رنگینکمان آکوستیک روشی نوآورانه را برای جداسازی فضایی صدا بر اساس فرکانس با بهره‌گیری از طراحی معکوس و چاپ سهبعدی نشان می‌دهد. با هدایت فواصل صوتی مختلف به نقاط گوناگون از طریق تداخل کنترل‌شده، این نمونهٔ اولیه امکانات تازه‌ای برای کنترل صدا، صدای فراگیر و کاربردهای دقیق نیازمند تحویل صوتی انتخابی باز میکند. در حالی که نمایش‌های کنونی بر فرکانسهای بالا تمرکز دارند تا دستگاه جمع‌وجور بماند، کارهای آینده می‌توانند مفهوم را در گستره‌های پهن‌تری گسترش دهند، عناصر تطبیقی را یکپارچه کنند و این رویکرد را به وظایف مهندسی صوتی عملیاتی بسط دهند.
منبع: snexplores
.avif)
نظرات