Communications Physics: Физики научились передавать звук через вакуум
Двое исследователей из Университета Ювяскюля в Финляндии, Жуоран Генг и Илари Маасилта, сделали крупное открытие, связанное с передачей звука в вакууме. Их исследование представляет собой первое подтверждение возможности прохождения звуковых волн через пустое пространство. Они достигли данного эффекта при помощи двух материалов, известных как пьезоэлектрики.
Эти материалы способны преобразовывать механические движения в электрические сигналы и обратно. Между этими материалами необходимо находиться на очень близком расстоянии, меньшем длины звуковой волны, которую требуется передать. Звук “тоннелирует” через эту промежуток, полностью проходя из одного материала в другой.
Туннелирование звука известно с 1960-х годов, но только недавно ученые начали более детально изучать этот феномен и понимать его принцип работы. Генг и Маасилта разработали метод, который позволяет изучать акустическое туннелирование, и успешно применили его. Обычно звук требует среды для распространения, так как он возникает из-за взаимодействия колебаний частиц.
В идеальном вакууме, где частицы отсутствуют, звук не может передаваться. Однако ученые обнаружили, что в вакууме могут существовать пробелы. Оказывается, электрические поля в вакууме могут вызывать колебания пьезоэлектрических кристаллов. Пьезоэлектрические кристаллы способны превращать механическую энергию в электрическую и обратно.
Это означает, что звуковые волны могут проходить через вакуум, если два пьезоэлектрических кристалла находятся на достаточно близком расстоянии друг от друга. Ученые также обратили внимание, что этот эффект усиливается при увеличении частоты. Это означает, что ультразвуковые и гиперзвуковые частоты также могут туннелировать через вакуум, если расстояние между кристаллами соответствующим образом увеличено.
Это открытие имеет важное значение не только для физической науки, но и для квантовой информатики и других областей. Оно может привести к различным применениям в микроэлектромеханических компонентах (MEMS), таких как смартфоны, а также в регулировании тепла.
Учёные нашли способ передавать звук в идеальном космическом вакууме
Учёные из Университета Йювяскюля в Финляндии совершили прорыв в области акустики, доказав, что звук может передаваться даже в идеальном космическом вакууме.
Данный процесс основан на явлении акустического туннелирования, известном с 1960-х годов, но до сих пор плохо понимаемом.
Для передачи звука через вакуум потребуются два пьезоэлектрических материала, способных преобразовывать движение в напряжение и наоборот.
Эти объекты должны быть разделены промежутком, меньшим, чем длина волны передаваемого звука. Таким образом, звук будет «туннелировать» через это пространство.
Звук создаётся вибрациями, которые заставляют атомы и молекулы вибрировать. В идеальном вакууме нет частиц для вибрации, и звук не должен распространяться. Однако учёные обнаружили, что пьезоэлектрические кристаллы могут преобразовать механическую энергию в электрическую и наоборот.
Таким образом, при определённых условиях, звуковая волна может преодолеть вакуум.
Учёные выяснили, что звук на самом деле может передаваться в вакууме
Финские учёные выяснили, что звук может передаваться в вакууме. Открытие условий, в которых звук проходит через идеальный вакуум, поможет в разработке MEMS-электроники и систем теплоотвода, считают исследователи.
Как известно, звук представляет собой колебания молекул воздуха: движение одних вызывает смещение соседних молекул, что в итоге создаёт звуковую волну, улавливаемую слуховым аппаратом человека (подробнее о том, как это происходит, читайте здесь). Однако в вакууме всё это невозможно — там попросту нечему колебаться и создавать звуковые волны.
Вместе с тем в вакууме распространяются электромагнитные поля, что позволяет пьезоэлектрическим кристаллам, деформирующимся под воздействием тех же звуковых волн, вырабатывать электричество. А следовательно, и генерировать новые поля.
Финские физики Жуоран Генг и Илари Маасилта из Университета Ювяскюля провели ряд экспериментов с пьезоэлектрическими датчиками, что позволило им, по их собственным словам, доказать полное акустическое туннелирование в вакууме. В ходе эксперимента учёные создали «туннель», через который и передали сигнал.
Для своего исследования Генг и Маасилта использовали пьезодатчики, превращающие звуковые волны в электрическое напряжение, и наоборот. Пьезоэлементы были разделены зазором, чей размер был меньше, чем длина волны передаваемого сигнала. В результате звук как бы перешёл от одного элемента к другому, сохранив свою мощность.
В качестве пьезоэлементов использовался оксид цинка. Звуковые колебания создавали механическое напряжение в цинке, что порождало в нём электрическое напряжение, что, при определённых условиях, образовывало электромагнитное поле. Если в радиусе действия одного кристалла оказывался второй, он преобразовывал электрическую энергию обратно в механическую, то есть в исходный акустический сигнал, благодаря чему происходила передача звука от одного источника к другому.
По словам Генга и Маасилты, эффект не зависит от частоты звука. Если зазор между датчиками не превышает длины волны, то такой способ подходит для передачи как ультразвука, так и сверхзвуковых частот. Физики отметили, что обнаруженное решение может помочь в развитии квантовой связи.
«Эффект невелик, но мы обнаружили ситуации, когда энергия волны проходит через вакуум без каких-либо отражений со 100% эффективностью», — отметил Илари Маасилта. По мнению учёного, открытое явление также найдёт своё применение в MEMS-электронике, построенной на микроэлектромеханических компонентах, и даже в сфере отвода тепла от приборов, находящихся в вакууме.
Передача звука
Не надо думать, что звук передается только через воздух. Он может проходить и через другие вещества – газообразные, жидкие, даже твердые. В воде звук бежит в четыре с лишком раза быстрее, чем в воздухе.
Если вы сомневаетесь, что звук может передаваться через воду, расспросите рабочих, которым приходится бывать в подводных сооружениях: они подтвердят вам, что под водой отчетливо слышны береговые звуки.
А от рыбаков вы узнаете, что рыбы разбегаются при малейшем подозрительном шуме на берегу.
Ученые еще 200 лет назад в точности измерили, с какою скоростью бежит звук под водою. Сделано это было на одном из швейцарских озер – на Женевском. Два физика сели в лодки и разъехались километра на три один от другого. С борта одной лодки свешивался под воду колокол, в который можно было ударять молотком с длинной ручкой. Ручка эта была соединена с приспособлением для зажигания пороха в маленькой мортире, укрепленной на носу лодки: одновременно с ударом в колокол вспыхивал порох, и яркая вспышка видна была далеко кругом. Мог видеть эту вспышку, конечно, и тот физик, который сидел в другой лодке и слушал звук колокола в трубу, спущенную под воду. По запозданию звука в сравнении со вспышкой определялось, сколько секунд бежал звук по воде от одной лодки до другой. Такими опытами найдено было, что звук в воде пробегает около 1 440 м в секунду.
Еще лучше и быстрее передают звук твердые упругие материалы, например, чугун, дерево, кости. Приставьте ухо к торцу длинного деревянного бруса или бревна и попросите товарища ударить палочкой по противоположному концу, вы услышите гулкий звук удара, переданный через всю длину бруса. Если кругом достаточно тихо и не мешают посторонние шумы, то удается даже слышать через брус тиканье часов, приставленных к противоположному концу. Так же хорошо передается звук через железные рельсы или балки, через чугунные трубы, через почву. Приложив ухо к земле, можно расслышать топот лошадиных ног задолго до того, как он донесется по воздуху; а звуки пушечных выстрелов слышны этим способом от таких отдаленных орудий, грохот которых по воздуху совсем не доносится. Так хорошо передают звук упругие твердые материалы; мягкие же ткани, рыхлые, неупругие материалы очень плохо передают через себя звук, – они его «поглощают». Вот почему вешают толстые занавески на дверях, если хотят, чтобы звук не достигал соседней комнаты. Ковры, мягкая мебель, платье действуют на звук подобным же образом.
Данный текст является ознакомительным фрагментом.
Продолжение на ЛитРес
Читайте также
ОТКРЫТИЕ НЕОЖИДАННЫХ СВОЙСТВ АТМОСФЕРЫ — СТРАННЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ — ПЕРЕДАЧА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ ПО ОДНОМУ ПРОВОДУ БЕЗ ВОЗВРАТНОГО — ПЕРЕДАЧА ЧЕРЕЗ ЗЕМЛЮ ВООБЩЕ БЕЗ ПРОВОДОВ
ОТКРЫТИЕ НЕОЖИДАННЫХ СВОЙСТВ АТМОСФЕРЫ — СТРАННЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ — ПЕРЕДАЧА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ ПО ОДНОМУ ПРОВОДУ БЕЗ ВОЗВРАТНОГО — ПЕРЕДАЧА ЧЕРЕЗ ЗЕМЛЮ ВООБЩЕ БЕЗ ПРОВОДОВ Другая из этих причин в том, что я пришел к осознанию того, что передача электрической энергии
ПЕРЕДАЧА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ БЕЗ ПРОВОДОВ*
ПЕРЕДАЧА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ БЕЗ ПРОВОДОВ* К концу 1898 систематические исследования, проводившиеся много лет с целью усовершенствования метода передачи электрической энергии через естественную среду, привели меня к пониманию трех важных потребностей; Первая —
Передача звука по радио
Передача звука по радио Ламповый генератор, схема которого представлена на рис. 24, генерирует радиоизлучения с неизменными параметрами. Сделаем к нему небольшое дополнение: к контуру, подающему напряжение на сетку электронной лампы, присоединим через индукционную
48 Передача энергии через вещество
48 Передача энергии через вещество Для опыта нам потребуется: десяток монеток по рублю. Мы уже встречались с разными волнами. Вот еще один старинный опыт, который довольно забавно смотрится и показывает, как волна проходит через предмет.Возьмите мелочь – монеты, например
Скорость звука
Скорость звука Не надо бояться грома после того, как сверкнула молния. Вы, наверное, слыхали об этом. А почему? Дело в том, что свет распространяется несравненно быстрее, чем звук, – практически мгновенно. Гром и молния происходят в один и тот же момент, но молнию мы видим в
Тембр звука
Тембр звука Вы видели, как настраивают гитару – струну натягивают на колки. Если длина струны и степень натяжения подобраны, то струна будет издавать, если ее тронуть, вполне определенный тон.Если, однако, вы послушаете звук струны, трогая ее в различных местах –
Энергия звука
Энергия звука Все частицы воздуха, окружающего звучащее тело, находятся в состоянии колебания. Как мы выяснили в главе V, колеблющаяся по закону синуса материальная точка обладает определенной и неизменной полной энергией.Когда колеблющаяся точка проходит положение
Ослабление звука с расстоянием
Ослабление звука с расстоянием От звучащего инструмента звуковая волна распространяется, конечно, во все стороны.Проведем мысленно около источника звука две сферы разных радиусов. Разумеется, энергия звука, проходящая через первую сферу, пройдет и через вторую шаровую
Отражение звука
Отражение звука В этом параграфе мы будем предполагать, что длина звуковой волны достаточно мала и, следовательно, звук распространяется по лучам. Что происходит, когда такой звуковой луч падает из воздуха на твердую поверхность? Ясно, что при этом происходит отражение
Скорость звука
Скорость звука Случалось ли вам наблюдать издали за дровосеком, рубящим дерево? Или, быть может, вы следили за тем, как вдали работает плотник, вколачивая гвозди? Вы могли заметить при этом очень странную вещь: удар раздается не тогда, когда топор врезается в дерево или
Сила звука
Сила звука Как ослабевает звук с расстоянием? Физик ответит вам, что звук ослабевает «обратно пропорционально квадрату расстояния». Это означает следующее: чтобы звук колокольчика на тройном расстоянии был слышен так же громко, как на одинарном, нужно одновременно
30. Передача сообщений в прошлое
30. Передача сообщений в прошлое Набор правил для зрителя Еще до того, как Кристофер Нолан стал режиссером «Интерстеллар» и переработал сценарий, его брат Джона рассказал мне про набор правил.Чтобы поддерживать в научно-фантастическом фильме нужный уровень
Глава 30. Передача сообщений в прошлое
Глава 30. Передача сообщений в прошлое Относительно того, как современные физики представляют себе путешествие назад во времени в четырех пространственно-временных измерениях без балка, см. последнюю главу книги «Черные дыры и складки времени» [Торн 2009], главы,
Глава 30. Передача сообщений в прошлое
Глава 30. Передача сообщений в прошлое В балке, так же как и в нашей бране, положения в пространстве – времени, в которые можно передавать сообщения и вообще что-либо перемещать, ограничены законом, который гласит: ничто не может двигаться быстрее света. Чтобы изучить