Звукът е навсякъде около нас, но овладяването му невинаги е лесна задача.

Той идва от безброй източници, изпълва пространството и се отразява от различни повърхности, създавайки ехо. Това негово свойство може да бъде изключително полезно, но и да създава сериозни неудобства – всичко зависи от мястото и начина, по който се разпространяват звуковите вълни.

В определени ситуации ехото се превръща в истински проблем. Най-очевидният пример са звукозаписните студиа, но има и една далеч по-разпространена среда, в която отраженията на звука създават затруднения – тръбите и въздуховодите.

Такива има във вентилационните и климатичните инсталации, промишлените системи за отвеждане на газове и дори във водопроводната мрежа. Звукът се движи през тези затворени пространства и когато срещне препятствие, промяна във формата на тръбата или затворен край, започва да се отразява многократно, понякога предизвиквайки силен и неприятен шум.

Сега учени са създали находчиво малко устройство, което може значително да намали тези отражения, като на практика „поглъща“ звука.

То е известно като звукова черна дупка. Новата му конструкция позволява да бъде изработено с 3D принтер и поставено директно във вече съществуваща тръба. Това е важна стъпка напред в сравнение с досегашните решения, при които звуковата черна дупка трябва да бъде вградена в самата тръба още при производството ѝ.

„Представете си, че заставате пред въздуховод, затворен в далечния си край, и извиквате в него. След известно време, в зависимост от дължината на въздуховода, ще чуете как звукът се връща към вас като ехо“, обяснява инженерът по акустика Ориол Гуаш от университета „Ла Сал – Рамон Люл“ в Испания.

„Ако обаче в края на въздуховода има звукова черна дупка, на практика няма да чуете никакво ехо. От акустична гледна точка усещането ще бъде почти същото, сякаш тръбата е безкрайно дълга и няма край, от който звукът да се отрази обратно.“

При традиционната звукова черна дупка (горе) пръстените са вградени в стените на тръбата. При новата конструкция (долу) те са закрепени върху централен прът, което позволява устройството да бъде поставено в съществуваща тръба. (Deng et al., Applied Acoustics, 2026)

Какво общо имат звуковите черни дупки с тези в Космоса?

Черните дупки са сред най-загадъчните обекти във Вселената. Гравитацията им е толкова силна, че изкривява пространство-времето около тях и създава граница, известна като хоризонт на събитията. Отвъд нея нищо не може да се измъкне – дори светлината.

Тези космически обекти продължават да пораждат множество въпроси. Учените например изследват дали някои мистериозни повтарящи се радиосигнали от далечни галактики могат да бъдат свързани с черни дупки или други екстремни космически явления.

Тъй като прякото изучаване на черните дупки е практически невъзможно, физиците търсят други подходи. Един от тях е създаването на лабораторни аналози, които възпроизвеждат отделни особености от поведението им, понякога с помощта на явления, които нямат почти нищо общо с гравитацията.

Разработената от Гуаш и колегите му звукова черна дупка обаче е нещо по-различно. Устройството е описано в научна публикация с водещ автор инженера Цзе Дън от университета „Ла Сал – Рамон Люл“. В основата на разработката стои не опит да се пресъздаде физиката на черните дупки, а вдъхновение от начина, по който те задържат попадналото в тях.

Вместо да използва звука за симулиране на гравитационни процеси, устройството разчита на едно необичайно свойство на звуковите вълни: при подходящи условия те могат постепенно да се забавят до такава степен, че на практика никога да не достигнат края на пътя си.

Това напомня известния парадокс на дихотомията на древногръцкия философ Зенон. Според него, за да достигне определена цел, човек първо трябва да измине половината от разстоянието до нея, след това половината от оставащото и така до безкрайност. Получава се привидно противоречие, при което той сякаш никога не успява да пристигне.

При звуковата черна дупка обаче има една съществена разлика: вълната действително се забавя, докато се разпространява.

„Това, което се случва с вълната, когато се приближава към края на звуковата черна дупка, донякъде наподобява онова, което външен наблюдател вижда в близост до истинска черна дупка. Изглежда, сякаш на вълната ѝ е необходимо безкрайно време, за да достигне крайната точка“, обяснява Гуаш.

„В идеалния случай, веднъж попаднала в звуковата черна дупка, вълната повече не излиза от нея.“

Как звуковата черна дупка кара вълните да изчезват?

Тайната на този необичаен акустичен ефект се крие в конструкцията на устройството. Както астрофизичната черна дупка всъщност не представлява дупка в буквалния смисъл, така и звуковият ѝ аналог няма нищо общо с обикновена кухина. Става дума за специално проектирана структура, която променя начина, по който звукът се разпространява в тръбата.

При досегашните конструкции по вътрешните стени на тръбата са разположени пръстени и кухини. Подредбата им е такава, че преминаващите звукови вълни постепенно се забавят. Дължината на вълната намалява, а енергията ѝ се съсредоточава във все по-малко пространство.

Този подход обаче има два съществени недостатъка. Първо, подобни структури трябва да бъдат вградени в самите тръби и обикновено се произвеждат заедно с тях. Това затруднява използването им във вече изградени системи. Второ, ефектът на звуковата черна дупка се проявява само в сравнително ограничен диапазон от честоти.

Дън, Гуаш и колегите им решили да потърсят решение и на двата проблема, като преобърнат досегашната конструкция. Вместо структура, наподобяваща фуния, те създали устройство, което прилича по-скоро на миниатюрна коледна елха.

„Идеята е изненадващо проста, а резултатите са много добри“, казва Гуаш. „От практическа гледна точка най-важното е, че звуковата черна дупка може да се произведе отделно и след това просто да се постави във въздуховода.“

Устройството се състои от поредица пръстени, закрепени върху централен прът. Диаметърът им се променя постепенно по дължината му, а пространствата между тях образуват кухини, които влияят върху разпространението на звука.

Когато звуковата вълна навлезе в конструкцията откъм върха ѝ, тя постепенно се забавя. Дължината ѝ намалява, а енергията се концентрира все повече към противоположния край.

Именно тук се проявява ефектът на звуковата черна дупка. Вместо да се отрази обратно, голяма част от натрупаната звукова енергия се разсейва чрез триене и топлообмен между въздуха и повърхностите на устройството. Така остава значително по-малко енергия, която да се върне под формата на ехо.

Експериментът: 29 пръстена, 15 сантиметра и почти никакво ехо

За да проверят дали идеята им работи, учените изработили прототип с помощта на 3D принтер. Конструкцията била дълга 15 сантиметра и включвала 29 пръстена, закрепени върху централен прът.

След това я поставили в импедансна тръба – лабораторен уред, с който се измерва как звуковите вълни взаимодействат с различни материали и конструкции.

Експерименталната постановка (вляво) и изработената с 3D принтер звукова черна дупка (вдясно). Виждат се пръстените, закрепени по протежение на централния прът. Устройството е поставено в импедансна тръба, за да се измери каква част от звука се отразява обратно. (Deng et al., Applied Acoustics, 2026)

След това учените започнали да викат в тръбата. Е, не съвсем. Всъщност използвали високоговорител, който излъчвал звукови вълни с различни честоти, а с помощта на микрофони измервали каква част от звука се връща обратно.

Резултатите се оказали обещаващи. Измереното количество отразен звук до голяма степен съвпадало с прогнозите от компютърните симулации. Важно е обаче да се подчертае, че устройството не успяло да премахне напълно ехото.

Изследователите използвали компютърни симулации и за да сравнят новия прототип с традиционната конструкция на звукова черна дупка.

Оказало се, че предимствата на новото решение не се изчерпват с възможността за лесен монтаж.

„Друго важно предимство е, че честотният диапазон, в който устройството действа като звукова черна дупка, е значително по-широк в сравнение с традиционната конструкция“, обяснява Гуаш.

Симулациите показали също, че новият модел отразява по-малко звук в широк диапазон от честоти.

Причината се крие в кухините между пръстените. Те резонират при определени честоти и така влияят върху способността на устройството да поглъща звуковата енергия.

При новата конструкция тези резонанси се появяват при по-високи честоти, което позволява ефектът на звуковата черна дупка да се запазва в значително по-широк честотен диапазон.

От шумозаглушителите до акустиката на помещенията

Най-очевидното приложение на технологията е намаляването на шума, особено във въздуховоди и шумозаглушители, където отраженията на звука могат да създават сериозни проблеми.

Но изследователите вече търсят възможности за приложение и извън тръбните системи. Те проучват дали подобни звукови черни дупки могат да бъдат създадени и в двуизмерни и триизмерни варианти, които биха намерили приложение при управлението на акустиката в помещенията.

Овладяването на звуковите вълни има значение далеч отвъд борбата с шума. То открива нови възможности и за изследване на сложни звукови сигнали. Такива са например проучванията, при които изкуственият интелект помага за разпознаването и анализа на звуците, с които общуват животните.

Разбира се, преди тези миниатюрни „коледни елхи“, способни да поглъщат звук, да намерят широко практическо приложение, трябва да бъдат преодолени още редица предизвикателства.

Различните условия на работа поставят различни изисквания. Например в кухините могат да попаднат частици, които да ги запушат. Освен това трябва да се отчете влиянието на температурата, налягането и движението на въздуха върху работата на устройството.

Въпреки тези трудности Гуаш е ентусиазиран от възможностите да управляваме звука по начини, които доскоро са изглеждали почти немислими.

„Лично за мен най-вълнуващи са физиката и математиката, които стоят зад всичко това, както и начинът, по който те обединяват области на познанието, които на пръв поглед изглеждат напълно несвързани“, споделя той.

Подобни неочаквани връзки между различни научни области показват колко универсален инструмент е математиката – тема, разгледана и в материала „Математиката обяснява всичко“.

„И, разбира се, възможностите за управление на вълните, с които разполагаме днес, вероятно биха изглеждали почти като научна фантастика само преди няколко години.“

Изследването е публикувано в научното списание Applied Acoustics.