• lerua merlen tovary

Франциско Месегуэр

Франциско Месегуэр из Мадридского института материаловедения хочет придать монументальному городскому творчеству практический смысл. И сделать так, чтобы скульптуры благотворно действовали на уши. С планами испанского ученого знакомит журналист Филипп Болл.

skul'ptura

Несколько лет назад Франциско Месегуэр обнаружил, что одна из мадридских скульптур странным образом гасит шум. Он назвал ее акустическим кристаллом. Скульптура состояла из стеклянных сфер и металлических стержней. И рассеивала звуковые волны.
Месегуэру и его коллегам удалось продемонстрировать, что подобные конструкции не только блокируют шум. Они позволяют «лепить» из звука, словно бы из глины, — придавать ему нужную форму, отражать, сгибать и фильтровать. Можно даже превратить какофонию в нечто успокаивающее.
Воодушевленные экспериментами испанцы даже рассчитывают создать похожие звуковые кристаллы, для того чтобы управлять , колебаниями вообще. Самый грандиозный и, по их собственному признанию, сумасшедший из всех проектов предполагает строительство гигантской конструкции, которая сможет гасить сейсмические волны. И таким образом защищать здания от землетрясений.

ЗВУКОВОЙ ТОРМОЗ
Идея акустического кристалла посетила Месегуэра случайно, когда он занимался исследованием, так называемых фотонных кристаллов. Их разработали в 1980-е годы для манипулирования светом. Сейчас из фотонных кристаллов делают линзы и волокна для оптической связи (New Scientist, 12 июня 1999 г., стр. 36). Самый простой из них — кварцевая пластинка с просверленными в ней отверстиями.
Разница коэффициентов преломления кварца и воздуха в отверстиях приводит к тому, что на границе их соприкосновения рассеивается. Стоит сделать расстояния между отверстиями примерно равными длине волны падающего света, как рассеиваемые фотоны начнут проявлять эффект ослабляющей интерференции. Проще говоря, кристалл заблокирует свет определенной длины волны.
Обычно световые кристаллы получают так: выстраивают находящиеся во взвешенном состоянии микроскопические стеклянные бусинки в равномерные решетки. Похожие структуры можно встретить и в природе. Опал, например, переливается от того, что свет внутри его рассеивают крошечные кварцевые сферы, образующие кристаллическую решетку камня.
Для того чтобы световой кристалл создавал провал в видимом диапазоне спектра, расстояние между отверстиями, или микросферами, должно быть мизерным — несколько сотен нанометров. Однако в 1995 году Месегуэр и эксперт по акустике из Политехнического университета Валенсии Хайме Линарес пришли к выводу: если эти структуры увеличить до сантиметровых размеров, а именно такую длину волны имеет звук  можно получить акустический аналог светового кристалла. Внутри его, предположили ученые, звуковые волны должны отскакивать от «атомов», взаимодействовать друг с другом и затухать.
Линарес допускал, что некоторые разновидности акустических кристаллов уже имеются. Он вспомнил о творении испанского скульптора Эусебио Семпере, которое установлено на территории университета. Оно представляет собой решетку из вертикальных металлических стержней, очень похожих на органные трубы. Толщина стержней и рас¬стояние между ними вполне подходящие. Блокируют ли они звук?
Чтобы ответить на этот вопрос, ученые установили с одной стороны скульптуры громкоговорители, которые транслировали на нее белый шум, а с другой — микрофон. Но ничего особенного не услышали.
Все дело в том, решили исследователи, что скульптура сделана из полых металлических цилиндров, которые резонируют подобно органным трубам. Среди них попадались очень короткие — около 10 сантиметров в длину. Примерно таким же было и расстояние между трубами. В результате они резонировали именно на тех частотах, на которых и должен был возникать провал звука. Вибрации попросту маскировали его.
К счастью, в свое время Семпере изваял похожую, но более крупную скульптуру, которую демонстрировал Фонд Хуана Марча (Fundacion Juan March) в Мадриде. Длина труб этого сооружения составляла три метра. Ученые вновь установили свои громкоговорители и микрофон. И наконец-то обнаружили, что скульптура действительно блокирует звук.
Однако и этот «кристалл» оказался далек от совершенства — провал в акустическом диапазоне был слабовыраженным. К тому же, измерениям мешали окружающие здания. Чтобы обеспечить чистоту эксперимента, ученые решили создать собственные скульптуры. Соорудили каркас, украсив его свисающими цилиндрами из нержавеющей стали или дерева. В результате получилась конструкция, чем-то напоминающая лесную делянку. Не исключено, что когда-нибудь она займет достойное место в любой галерее современного искусства.
В 1998 году ученые поместили свой кристалл в эхопоглощающую камеру и начали экспериментировать, измеряя параметры проходящих через него звуковых колебаний. Они обнаружили, что структура сильно подавляет звуковые волны в слышимом диапазоне спектра, на частотах от 1400 до 1700 герц.

ЗВОНКОЕ ЗЕРКАЛО
А несколько месяцев назад ученые доказали: с помощью акустического кристалла можно не только заблокировать распространение звука, но и манипулировать им (Physical Review Letters, том 88, стр. 23902). На частотах ниже акустического провала кри¬сталлы оказались прозрачны для звука. Подобно свету, который меняет направление под действием рефракции, проникая из воздуха в стекло, звуковые волны также отклоняются, попадая в акустический кристалл.
Исследователи предположили: а нельзя ли использовать это свойство и создать еще и линзу, которая могла бы фокусировать звук? Для этого им пришлось сконструировать частокол из цилиндров (см. рисунок). Если источник звука помещать вблизи такой линзы, то на ее противоположной стороне звуковые волны сходятся в одну точку. Исследователи изготовили и звуковой аналог другого широко распространенного оптического устройства: интерферометра Фабри-Перо. Эта штука представляет собой многослойный набор тонких пленок, которые образуют интерференционный шаблон для света, отражающегося от каждого слоя.akusticheskaja linza А его акустическая версия  кристалл в виде плиты с гладкими поверхностями, параллельно которым свисают ряды цилиндров. Интерферометры Фабри-Перо обычно используют в микроволновой связи как фильтры. Однако Хосе Санчес-Дехеса, физик из Мадридского университета, который также участвовал в проекте, сомневается, что звуковые аналоги линз и фильтров, созданные его коллегами, станут полезными: «Уж очень они большие».
И все же акустический кристалл, способный блокировать звуковые волны в заданном частотном диапазоне, может приго¬диться. Представьте барь¬ер, сделанный из кристаллов, которые обладают всеми эстетическими качествами скульптуры, но спроектированы таким образом, чтобы блокировать шум от проезжающих автомобилей. Они могли бы улучшить облик жилых районов. Кристаллы, вне всяких сомнений, выглядят привлекательнее уродливых бетонных панелей. Его коллега Хуан Винсент Санчес-Перес из Политехнического университета Валенсии намерен запатентовать опытный образец звукового барьера, в основе которого — решетка цилиндров.
Конечно, цилиндры необходимо расставлять так, чтобы расстояние между ними было равно длине волны. В результате звукозащитная конструкция получится большой и объемной. Однако в 2000 году Пин Шен со своими коллегами из Гонконгского университета показали: можно обойти и эту проблему. Они создали звуковой кристалл, выполненный в виде кубической решетки из свинцовых шаров диаметром всего лишь один сантиметр каждый. Шары
Кристаллы, без сомнений, выглядят привлекательнее, чем уродливые бетонные панели
покрыли силиконовым каучуком и закрепили в нужном месте решетки при помощи эпоксидной смолы. Получилось что-то вроде гигантского «звукового» опала. Как показали эксперименты, структура обеспечивала акустический провал для колебаний с длиной волны около метра, что в сто раз больше расстояния между рассеивающими звук шарами. Ученые объяснили неожиданный эффект тем, что мягкая оболочка шаров, очевидно, резонировала на определенной частоте.

ПОДВОДНЫЙ СТЕЛС
Че Тинь Чэн, коллега Шена, говорит, что сейчас ученые из Гонконга работают над созданием акустического кристалла, который поглощает звук. По их мнению, такие устройства можно использовать, например, для того, чтобы заблокировать сигнал гидролокатора. Стоит сделать из них корпус подводной лодки, как ее невозможно будет обнаружить с корабля либо с другой субмарины.
И, напротив, утверждают Петер Матик и Нарендра Батра из Исследовательской лаборатории ВМС США (Naval Research Laboratory), Вашингтон, округ Колумбия, акустический провал поможет отфильтровать определенные частоты, генерируемые тяжелым машинным оборудованием.
Ученые создают многофункциональные материалы, которые, будучи твердыми и прочными, одновременно обеспечивают акустическую защиту. Сделайте из них корпус корабля, и вы сможете приглушить звук двигателей. И никакая подводная лодка его не засечет!
Санчес-Дехеса считает, что можно даже спроектировать такой барьер, который будет влиять на качество проходящего через него звука  превращать ужасную какофонию в успокаивающее шуршание. Подобно тому, как световые кристаллы отфильтровывают проходящие через них световые колебания определенной длины волны. «Моя задача состоит в том, чтобы создать на основе акустического кристалла такой щит, который сможет преобразовать скверный шум, например, от автомобильного трафика, на одной из его сторон в нечто более приятное, скажем, шелест листвы или шум морского прибоя — на другой». Теоретически можно собрать
в единую конструкцию, поворачивать их определенным образом и создавать некое подобие музыки.
Ученые имеют проекты и посмелее. Например, применительно к землетрясениям. Точно так же, как они превратили кварцевую пластину в гасящий свето¬вые волны кристалл, просверлив в ней микроскопические отверстия, можно поступить и с корой Земли  сделать ее непроницаемой для сейсмических волн. Для этого придется пробурить скважины, которые создают решетку. Достаточно окружить ими населенный пункт и тем самым защитить от землетрясений.
«Если сейсмический щит в состоянии ослабить силу толчков на два балла по шкале Рихтера, — а это эквивалентно уменьшению их энергетики на два порядка,  успех будет просто огромным», — воодушевляется Месегуэр.
Для того чтобы проверить свою идею, в 1999 году Месегуэр со своими коллегами пробурили две вертикальные решетки: одну — в виде треугольника, а другую  в виде медового сота.
Размеры каждого из отверстий составляли шесть сантиметров в диаметре и сто шестьдесят сантиметров в глубину, а растояние между двумя соседними отверстиями равнялось четырнадцати сантиметрам. Затем они бросали гирю на дно карьера и с помощью датчиков измеряли уровень вибрации после прохождения колебаний через решетку из отверстий. Обе решетки эффективно глушили вибрацию.
Однако, чтобы защититься от реального землетрясения, отверстия должны быть несколько сотен метров в ширину и, по крайней мере, километр в глубину. «Понятно, что пока эта идея нереализуема, соглашается : Санчес-Дехеса. Хотя отдельное здание защитить все же можно».
Более скромный способ применения  сейсмических кристаллов в качестве подземной изгороди мог бы защитить лабораторию! или здание от мешающей вибрации, которая! вызвана, например, проезжающими мима! автомобилями. Это может оказаться очень! полезным, учитывая, что некоторые высокоточные приборы, такие, как растровые микроскопы, предназначенные для изучения структур на атомном уровне, очень чувствительны к побочным колебаниям. Месегуэр уже начал искать практическое применение для подобной системы.

Так же читатели рекомендуют следующие статьи!

see

В закладки: постоянная ссылка.

Комментарии недоступны

  • 14