Как наука использует звук

Теодор Седин
Апрель 13, 2015
7.7k
4
Наука
в избранное

Акустика, чувак, это не вид гитары, не то, что доносится из сабвуфера, заставляя разваливаться твою «семёрку» на части, а направление, которое вытянет современную науку на совершенно иной уровень. Да-да, и на звуке можно построить «город-сад». А пока, в настоящем, почитай сугубо научную статью о том, как сейчас хитрые учёные использую звук в своих научных изысканиях.

1. Охлаждение

Команда исследователей из Университета штата Пенсильвания сделала холодильник, который охлаждает еду звуком. Принцип работы покажется простым для каждого, кто имеет представление о физике: звуковые волны сжимают и расширяют воздух вокруг них, соответственно сам воздух охлаждается или расширяется. Как правило, звуковые волны не влияют на температуру не более 1/10000 градуса, но гораздо большего эффекта можно достичь, поместив газ внутрь холодильника под давлением около 10 атмосфер. В результате получаем термоакустический морозильник, который сжимает газ в своей камере охлаждения и подвергает его более чем 173 децибелам звука, вырабатывая тепло.

Внутри металлические пластины, встречающиеся на пути звуковых волн, поглощают тепло и передают его в систему теплообменника.

Система была разработана как более экологичная альтернатива традиционным холодильникам. В отличие от традиционных моделей, использующих химические хладагенты, которые всеми правдами и неправдами портят атмосферу, термоакустический холодильник работает очень хорошо с инертными газами вроде гелия. Если гелий куда-то утекает, то он просто возвращается в атмосферу. Ничего проще и экологичнее в мире холодильников ещё не придумали. Правда, в плане надёжности термоакустические рефрижераторы сильно уступают старым добрым «вредным» холодильникам.

2. Сварка

Ультразвуковые волны были использованы для сварки пластмасс ещё в 1960 году. Работает это путем сжатия двух термопластичных материалов вместе на вершине опоры. Ультразвуковые волны затем заставляют их молекулы активно двигаться, в результате чего под очень высокой температурой возникает трение. В итоге два куска пластмассы тают очень равномерно и красиво.

Как и множество других открытий, это было сделано совершенно случайно. Роберт Солофф (ну, вы поняли, какой стране обязаны его предки) работал с ультразвуковым оборудованием. Ну и, как водится, неаккуратный Роберт коснулся зондом дозатора для скотча, что стоял на столе. В результате этого две половинки склеились. После осознания, что равномерно нагретый пластик может гнуться, как сустав, во все стороны, Солофф запатентовал открытие и стал наслаждаться своим триумфом, так как ультразвуковая сварка нашла широкое применение во многих отраслях промышленности – от производства игрушек до автомобилей. В последнее время ВМС США начали экспериментировать с использованием этой технологии, чтобы сделать «сварные швы» для своих мундиров. Если материал одежды термопластичный, как нейлон, ультразвуковая сварка может быть использована для швов, которые сильнее и с лучшей теплоизоляцией, чем традиционные. Но есть одна проблема: сделанные старым дедовским способом швы надежнее и дешевле, чем термопластичные. Так что о повсеместном внедрении технологии можно пока даже не думать.

3. Кредитки и банки

Тут, что называется, не было бы счастья, да несчастье помогло. Исследователи нашли способ передавать данные с компьютера на компьютер, используя один только звук. Правда, есть одно НО: это очень эффективный способ для передачи вирусов. Консультант по безопасности Драгош Руйу пришел к такой идее, заметив что-то странное с его MacBook Air: после установки OS X его компьютер обновил свою загрузочную прошивку спонтанно. Оказалось, это был очень мощный вирус, который может привести к удалению данных и вносить изменения по своему желанию. Даже после удаления, переустановки и перенастройки всей системы коварный вирус остался сидеть в компьютере. Наиболее правдоподобная теория бессмертия вируса говорила о том, что жил он в BIOS. Другая, маловероятная теория, состояла в том, что вирус проник с помощью высокочастотных передач, когда и передавались данные между колонками и микрофонами.

Это казалось бредом до тех пор, пока один немецкий институт не нашел способ воспроизводить этот эффект. На основании разработанного программного обеспечения для подводной связи был сделан прототип вредоносных программ, который отправили через несетевые ноутбуки, используя только свои колонки. В тестах ноутбуки могли «общаться». Ну, а если связать все заражённые устройства сетью, наподобие Wi-Fi, то диапазон может спокойно расшириться. Хорошей новостью является то, что акустическая передача происходит крайне медленно, достигая только 20 бит в секунду. Хотя этого недостаточно для передачи больших пакетов, но хватит, чтобы отправить пароли, номера кредитных карт и ключей шифрования. Правда, вирусы не дремлют, и нет никакой гарантии, что в скором времени и этот способ падёт под ударами жестоких вирусов.

4. Скальпель

Врачи уже давно используют акустические волны для таких медицинских процедур, как УЗИ и дробление камней в почках, однако исследователи из Университета штата Мичиган сделали акустический скальпель, причём настолько точный, что им можно отделить одну клетку. Современная технология сфокусированного ультразвука может создавать только луч, который обладает фокусным пятном приблизительно в несколько миллиметров, а у нового инструмента точность в 75 х 400 микрометров. Для сравнения… Для сравнения залезь в учебник и узнай, какая разница между миллиметрами и микрометрами.

Теоретически технология была известна ещё с конца 1800-х годов, да только не было технической возможности создать «звуковой нож». Получилось только недавно, с помощью линз с покрытием из углеродных нанотрубок и материала под названием полидиметилсилоксан для преобразования света в звуковые волны высокого давления. Плотно сфокусированные акустические волны создают ударные волны и микропузырьки, которые оказывают давление на микроскопическом уровне. Но нам на самом деле плевать на все эти термины, нам главное, чтобы польза была. И она вроде как есть, ибо скальпель уже был протестирован и смог отсоединить одну клетку рака яичников, а также пробурить отверстие размером в 150 микрометров в искусственном почечном камне. Разработчики надеются, что он впоследствии сможет использоваться для введения лекарственных препаратов или для устранения небольших раковых опухолей или бляшек. Вполне возможно, что скальпель сможет выполнять эти операции безболезненно, так как луч настолько точен, что может избежать контакта с нервными клетками. Так что будем смотреть с замиранием сердца и надеяться, что этот способ как можно быстрее внедрят стоматологи, и поход к ним не будет столь болезненным.

5. Диснеевский микрофон

Исследователи из «Диснея» создали устройство, которое превращает человеческое тело в микрофон. Это устройство, названое «Ишин-Ден-Шин», что в переводе c языка «Страны Восходящего Солнца» обозначает «общение через негласное взаимопонимание», позволяет человеку молча передать записанное сообщение, просто коснувшись уха другого человека.

Устройство, которое они сделали, включает в себя микрофон, прикреплённый к компьютеру. Когда кто-то говорит в микрофон, компьютер сохраняет звук как повторяющуюся запись, которая затем преобразуется в неслышимый сигнал. Этот сигнал передаётся посредством провода, подключённого к микрофону. Сигнал передаётся от микрофона к телу любого человека, который его держит. В результате создаётся модулированное электростатическое поле, которое вызывает крошечные колебания, если человек дотрагивается до чего-либо. Вибрацию можно услышать, если прикоснуться к уху другого человека. Её даже можно передавать по цепочке от человека к человеку, если группа находится в физическом контакте. А ещё такой способ общения очень сближает.

6. Считывание голоса

Исследователи из Массачусетского технологического института, Microsoft и Adobe разработали алгоритм, который может считывать пассивные звуки с неодушевленных объектов на видео. Их алгоритм анализирует незаметные колебания, которые акустические волны создают на поверхностях и делают их слышными. В ходе одного эксперимента с пачкой чипсов была восстановлена внятная речь, записанная на расстоянии 4,5 метров через звуконепроницаемое стекло.

Для наилучших результатов алгоритма количество кадров в секунду видеопотока должно превышать частоту аудиосигнала, что требует высокоскоростной камеры. Так что тут нужна не какая-то там мыльница, а как минимум цифровая камера, для того чтобы определять количество людей, разговаривающих в комнате, их пол и, возможно, даже их личности. Новая технология обладает очевидными применениями для судебно-медицинской экспертизы, правоохранительных органов и шпионских войн. С помощью нее все, что нужно сделать, – это направить высокоскоростной цифровой фотоаппарат в окно, чтобы записать то, что происходит внутри. Одним словом, Джеймс Бонд и Инспектор Гаджет одобряют.

7. Маскировка

Исследователи создали устройство, которое может скрывать объекты от звука. Оно выглядит как причудливая пирамида с множеством дырочек, однако такая форма изменяет траекторию звуковых волн так, чтобы она соответствовала тому, как она бы выглядела, если бы они отражались от плоской поверхности. Если поместить акустическую маскировку на объект на плоской поверхности, он будет недостижим для звука независимо от того, под каким углом ты на него смотришь.

Эта технология способна маскировать объекты в местах, где акустика обладает большим значением. Например, концертные залы. Вдруг понадобится для какого-нибудь эффектного шоу. Но есть одно НО: субсидии на исследование были получены от американских военных, поэтому, скорее всего, оно будет использоваться в сугубо демократических целях: в борьбе с несправедливостью и отсутствии всей нефти в жадных американских лапах. Устройство не удерживает звук внутри, но оно может скрывать объекты от систем обнаружения, основанных на звуке, таких как сонары. Поскольку звук проходит под водой таким же образом, как и в воздухе, акустическая маскировка может в конечном итоге помогать подводным лодкам оставаться невидимыми для систем обнаружения.

8. Зарядка для телефона

Нанотехнологии используются для сбора энергии из различных источников для выработки электроэнергии. Одной из их целей является создание устройств, которые не нужно будет заряжать. В частности, компания «Nokia» даже запатентовала устройство, которое получает энергию от движения пользователя.

По сути своей звук является потенциальным источником энергии. Исследователи экспериментируют с методами, посредством которых можно заряжать мобильный телефон, разговаривая по нему. В 2011 году исследователи из Сеула использовали нано-стержни оксида цинка, зажатые между двумя электродами, для выработки электроэнергии из звуковых волн. Технология смогла сгенерировать 50 милливольт благодаря объему шумного трафика. Этого недостаточно для зарядки большинства электрических устройств, тем не менее в прошлом году коллеги из Лондона подхватили идею и смогли создать устройство, которое может производить 5 вольт, чего вполне достаточно, чтобы зарядить телефон.

Конечно, это прекрасная новость для любителей Android. Уж кто-кто, а «андроиды» знают толк в том, как разрядиться в самый неподходящий момент.