Jump to content
Forum Kopalni Wiedzy
KopalniaWiedzy.pl

Przełom inżynieryjno-fizyczny. Modulacja czasu pozwala propagować dźwięk w jedną stronę

Recommended Posts

Przełom na gruncie inżynierii i fizyki ogłosili naukowcy z CUNY ASRC i Georgia Tech. Jako pierwsi w historii zaprezentowali bowiem porządek topologiczny bazujący na modulacjach czasu. Osiągnięcie to pozwala na propagację fal dźwiękowych wzdłuż granic metamateriałów topologicznych bez ryzyka, że fale wrócą czy też zaczną propagować się poprzecznie z powodu niedoskonałości materiału.

Topologia zajmuje się badaniem właściwości, które nie ulegają zmainie nawet po zdeformowaniu obiektów. W izolatorze topologicznym prąd płynie wzdłuż granic obiektu, a na przepływ ten nie mają wpływu niedoskonałości struktury obiektu. W ostatnich latach dzięki postępom na polu metamateriałów udało się w podobny sposób kontrolować rozprzestrzenianie się światła i dźwięku.

Andrea Alu z CUNY ASRC i profesor Alexander Khanikaev z City College of New York wykorzystali asymetrie geometryczne do stworzenia porządku topologicznego w metamateriałach akustycznych. Fale dźwiękowe rozprzestrzeniały się wzdłuż ich krawędzi i brzegów. Jednak poważnym problemem był tutaj fakt, że mogły one rozprzestrzeniać się zarówno w przód jak i w tył. To zaś bardzo zaburzało odporność materiału na zakłócenia i ograniczało topologiczny porządek propagacji dźwięku. Zaburzenia w strukturze materiału mogły bowiem prowadzić do odbicia dźwięku.

Najnowsze badania pozwoliły na przezwyciężenie tych problemów. Ich autorzy wykazali, że do uzyskania porządku topologicznego można wykorzystać złamanie parzystości operacji odwrócenia czasu (parzystość T), a nie tylko asymetrii geometrycznych. Dzięki takiemu podejściu dźwięk rozprzestrzenia się tylko w jednym kierunku i jest bardzo odporny na wszelkie niedoskonałości materiału.

To przełom na polu fizyki topologicznej. Uzyskaliśmy porządek topologiczny dzięki zmianom w czasie, co jest procesem zupełnie innym i dającym więcej korzyści niż cała topologiczna akustyka opierająca sie na asymetriach geometrycznych, mówi Andrea Alu. Dotychczasowe metody wymagały istnienia kanału, który był wykorzystywany do odbijania dźwięku, co znacząco ograniczało ich właściwości topologiczne. Dzięki modulacjom czasowym możemy uniemożliwić powrót dźwięku i uzyskać silną ochronę topologiczną.

Przełomy dokonano dzięki stworzeniu urządzenia składającego się z zestawu okrągłych piezoelektrycznych rezonatorów ułożonych w strukturę powtarzających się heksagonów. Całość przypominała plaster miodu. Całość podłączono do zewnętrznego obwodu, który dostarczał sygnał modulujący odpowiedzialny za złamanie parzystości T.

Co więcej, całość jest programowalna, co oznacza, że fale można wysłać wieloma różnymi drogami. Jak mówi Alu, wynalazek ten posłuży do udoskonalenia sonarów, układów elektronicznych wykorzystujących dźwięk czy urządzeń do obrazowania za pomocą ultradźwięków.

Ze szczegółami badań można zapoznać się na łamach Science Advances.


« powrót do artykułu

Share this post


Link to post
Share on other sites

Ten, kto twierdzi, że człowiek może modulować czas, nie wie, co to jest takiego - czas. Owszem, można wpływać na bieg rozmaitych fizycznych procesów. Mogą one trwać dłużej lub krócej. Ale to nie oznacza, że w ten sposób ktokolwiek wpływa na bieg czasu, moduluje go, zmienia kierunek biegu czasu itd. Kto chce zrozumieć, czym jest pojęcie czasu, może znaleźć odpowiednią informacje w google. Wystarczy wpisać do google'a "fizyczna natura czasu" (koniecznie w cudzysłowie) i dopisać "pinopa" (ale już bez cudzysłowu). Tam można znaleźć odnośnik  do artykułu "Fizyczna natura czasu".

Share this post


Link to post
Share on other sites

Tak na szybko, bez  wchodzenia w szczegóły (art. tylko przejrzałem).
Symetria T polega na tym, że zjawisko (proces) może zachodzić w porządku czasowym "w te i nazad", podobnie jak film wyświetlany do przodu i do tyłu. W tym przypadku, topologia ośrodka, w którym fale się rozchodzą, blokuje "powrót", fala nie może się odbić, czyli jest to odpowiednik filmu, który może być puszczony tylko "do przodu". Nie ma to nic wspólnego z manipulacją kierunkiem upływu czasu. Manipulacja dotyczy tylko przebiegu procesu, a nie strzałki czasu.
Osiągnięcie jest, ale nie łamie ono w żaden sposób znanej fizyki.
 

15 godzin temu, KopalniaWiedzy.pl napisał:

złamanie parzystości T.

Parzystość (parity), to symetria lewa/prawa, taka jak np. rękawiczek. Związana jest ona z czasem tylko w połączonej symetrii CPT (charge, parity, time = ładunek, parzystość, czas). Nie ma czegoś takiego jak "parzystość T".

Edited by ex nihilo

Share this post


Link to post
Share on other sites
2 godziny temu, ex nihilo napisał:

Osiągnięcie jest, ale nie łamie ono w żaden sposób znanej fizyki.

Już widzę rozwiązania audiofilskie: topologiczne systemy nagłaśniania z łamaniem symetrii czasu. I cyk, dwa zera do rachunku :D 

 

Share this post


Link to post
Share on other sites

Create an account or sign in to comment

You need to be a member in order to leave a comment

Create an account

Sign up for a new account in our community. It's easy!

Register a new account

Sign in

Already have an account? Sign in here.

Sign In Now

  • Similar Content

    • By KopalniaWiedzy.pl
      Naukowcy z Politechniki Wrocławskiej i Uniwersytetu w Würzburgu pochwalili się na łamach Nature Communications dokonaniem przełomu na polu badań kwantowych. Po raz pierwszy w historii udało się uzyskać ekscytony w izolatorze topologicznym. W skład zespołu naukowego weszli Marcin Syperek, Paweł Holewa, Paweł Wyborski i Łukasz Dusanowski z PWr., a obok naukowców z Würzburga wspomagali ich uczeni z Uniwersytetu w Bolonii i Oldenburgu.
      Izolatory topologiczne to jednorodne materiały, które są izolatorami, ale mogą przewodzić ładunki elektryczne na swojej powierzchni, a wystąpienie przewodnictwa nie jest związane ze zmianą fazy materiału, np. z jego utlenianiem się. Pojawienie się przewodnictwa związane jest ze zjawiskami kwantowymi występującymi na powierzchni takich izolatorów. Istnienie izolatorów topologicznych zostało teoretycznie przewidziane w 1985 roku, a eksperymentalnie dowiedzione w 2007 roku właśnie na Uniwersytecie w Würzburgu.
      Dotychczasowe prace nad wykorzystaniem izolatorów topologicznych koncentrowały się wokół prób kontroli przepływu ładunków elektrycznych za pomocą napięcia. Jeśli jednak izolator był wykonany z cząstek obojętnych elektrycznie, takie podejście nie działało. Naukowcy musieli więc wymyślić coś innego. W tym wypadku tym czymś okazało się światło.
      Po raz pierwszy udało się wygenerować kwazicząstki – tak zwane ekscytony – w izolatorze topologicznym i eksperymentalnie udowodnić ich istnienie. W ten sposób uzyskaliśmy nowe narzędzie, za pomocą którego możemy – metodami optycznymi – kontrolować elektrony. Otworzyliśmy nowy kierunek badań nad izolatorami topologicznymi, mówi profesor Ralph Claessen.
      Ekscyton to kwazicząstka, która stanowi parę elektron-dziura połączoną siłami elektrostatycznymi. Uzyskaliśmy ekscytony oddziałując krótkimi impulsami światła na jednoatomową warstwę materiału, mówi profesor Claessen. Przełomowy tutaj jest fakt, że materiałem tym był izolator topologiczny. Dotychczas nie udawało się w nim uzyskać ekscytonów. W tym przypadku izolator zbudowany był z bizmutu, którego atomy ułożono w strukturę plastra miodu.
      Całość badań optycznych przeprowadzono w Laboratorium Optycznej Spektroskopii Nanostruktur Politechniki Wrocławskiej.
      Osiągnięcie to jest o tyle istotne, że od około 10 lat specjaliści badają ekscytony w dwuwymiarowych półprzewodnikach, chcąc wykorzystać je w roli nośników informacji kontrolowanych światłem. Teraz za pomocą światła uzyskaliśmy ekscytony w izolatorze topologicznym. Reakcje zachodzące pomiędzy światłem a ekscytonami mogą prowadzić do pojawienia się nowych zjawisk w takich materiałach. To zaś można będzie wykorzystać, na przykład, do uzyskiwania kubitów, wyjaśnia Claessen. Kubity, czyli kwantowe bity, to podstawowe jednostki informacji w komputerach kwantowych. Badania polsko-niemieckiego zespołu mogą więc doprowadzić do powstania nowych kontrolowanych światłem podzespołów dla komputerów kwantowych.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Ponad miliard nastolatków i młodych dorosłych jest potencjalnie zagrożonych utratą słuchu, czytamy na łamach British Medical Journal Global Health. Ryzyko związane jest z częstym używaniem przez nich słuchawek i uczestnictwem w koncertach i innych wydarzeniach związanych ze słuchaniem głośnej muzyki.
      Światowa Organizacja Zdrowia ocenia, że obecnie 430 milionów ludzi na świecie ma uszkodzony słuch. Szczególnie narażeni są użytkownicy osobistych urządzeń nagłaśniających, takich jak słuchawki. Już wcześniej opublikowane badania wykazały, ze użytkownicy takich urządzeń bardzo często ustawiają głośność nawet na 105 decybeli. Do tego należy dodać uczestnictwo w wydarzeniach związanych z puszczaniem głośno muzyki, na których średnia głośność wynosi od 104 do 112 dB. Tymczasem bezpieczny poziom dźwięku wynosi 80 dB dla dorosłych i 75 dB dla dzieci.
      Autorzy najnowszych badań postanowili sprawdzić, jak bardzo rozpowszechnione wśród młodzieży i młodych dorosłych jest słuchanie nadmiernie głośnych dźwięków. Przejrzeli więc badania opublikowane w językach angielskim, francuskim, hiszpańskim i rosyjskim, które dotyczyły osób w wieku 12–34 lat. Poszukiwano tych badań, w których pod uwagę uwagę wzięto rzeczywistą zmierzoną głośność dźwięków oraz czas narażenia na ich oddziaływanie. Pod uwagę wzięto 33 badania. Część z nich uwzględniała pomiary dotyczące użycia urządzeń osobistych, część uczestnictwa w głośnych imprezach, a część zawierała dane o obu rodzajach narażenia na głośne dźwięki. W sumie badaniami objęto 19 046 uczestników i uwzględniono w nich 17 pomiarów dotyczących używania urządzeń oraz 18 pomiarów odnośnie uczestnictwa w głośnych imprezach.
      Z badań wynika, że na zbyt głośne szkodliwe dla słuchu dźwięki naraża się 24% młodzieży i 48% młodych dorosłych. To oznacza, że na utratę słuchu narażonych jest od 670 milionów do 1,35 miliarda osób.
      Oczywiście badania mają swoje ograniczenia. Ich autorzy nie brali pod uwagę np. różnic demograficznych w poszczególnych krajach, czy rozwiązań prawnych wprowadzonych w celu ochrony słuchu. Niemniej jednak pokazują one, jak bardzo poważny jest to problem. Ze szczegółami badań można zapoznać się w artykule Prevalence and global estimates of unsafe listening practices in adolescents and young adults: a systematic review and meta-analysis.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Wiele gatunków zwierząt podszywa się pod inne gatunki, na przykład po to, by odstraszyć potencjalnych drapieżników. Zwykle w ten sposób przekazują sygnały wizualne. Na przykład wąż z gatunku Lampropeltis elapsoides jest – jak wszystkie lancetogłowy – niejadowity. Jednak ubarwieniem i wzorem przypomina jadowitą koralówkę arlekin. Teraz naukowcy odkryli pierwszy przypadek ssaka, który wydaje dźwięki podobne do owadów, by uniknąć ataku ze strony drapieżnika.
      Gdy myślimy o mimikrze, pierwsze co przychodzi do głowy, jest kolor. Jednak w tym przypadku główną rolę odgrywa dźwięk, mówi Danilo Russo, ekolog z Uniwersytetu Neapolitańskiego im. Fryderyka II. Jest on współautorem badań, w ramach których zauważono, że nocek duży wydaje odgłosy podobne do odgłosów szerszenia, by odstraszyć sowy.
      Nocki nie tylko używają echolokacji podczas polowań, ale też komunikują się między sobą za pomocą szerokiego wachlarza dźwięków. Russo, który badał je na potrzebny pewnego projektu naukowego, zauważył, że schwytane nietoperze wydają pod wpływem stresu dźwięk podobny do brzęczenia szerszenia.
      Uczony wraz z kolegami rozpoczął więc nowy projekt badawczy, w ramach którego porównał dźwięki wydawane przez szerszenie z dźwiękami wydawanymi przez zestresowane nocki. Większość częstotliwości nie była do siebie zbyt podobna. Jednak gdy naukowcy porównali tylko te częstotliwości, które słyszą sowy – jedne z głównych wrogów nocków – okazało się, że dźwięki są bardzo do siebie podobne.
      Chcąc sprawdzić swoje podejrzenia, naukowcy odtwarzali trzymanym w niewoli sowom dźwięki wydawane zazwyczaj przez nietoperze. Ptaki zbliżały się wówczas do głośników. Gdy jednak z głośników dobiegały dźwięki wydawane przez szerszenie, sowy zwykle się odsuwały. wiele sów odsuwało się również wtedy, gdy z głośników płynęły dźwięki zestresowanych nocków. Obserwacja taka potwierdza podejrzenie, że nocki – naśladując szerszenie – próbują odstraszyć sowy.
      Akustyczne podszywanie się przez nocki pod szerszenie ma sporo sensu. Jako, że latają one w nocy mimikra za pomocą kolorów zapewne by nie zadziałała. Wydawanie odpowiednich dźwięków może zaś uratować nockowi życie, gdyż wiadomo, że sowy starają się unikać szerszeni.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      VCSEL to najpopularniejszy typ laserów. Znajdziemy je w smartfonach, sieciach komputerowych czy urządzeniach medycznych. Emitują światło z kwantowych studni lub kropek umieszczonych pomiędzy lustrami. Studnie i kropki są niezwykle małe, ich wielkość mierzy się w ułamkach mikrometrów. To z jednej strony zaleta, pozwalająca na miniaturyzację i dużą prędkość pracy, jednak z drugiej strony rozmiar ogranicza moc lasera. Teraz, po dziesięcioleciach prac, udało się opracować rozwiązanie, które pozwoli zwiększyć moc VCSEL, znajdą więc one zastosowanie tam, gdzie stosowane dotychczas być nie mogły.
      Przez dekady naukowcy próbowali zwiększyć moc VCSEL (vertical cavity surface emitting laser) poprzez wymuszenie na nich pracy grupowej. Chcieli połączyć wiele laserów w jeden, o zwielokrotnionej mocy. Niestety, minimalne niedokładności w procesach produkcyjnych powodowały, że lasery takie pracowały w niewielkich niezależnych od siebie grupach, których emisja nie była ze sobą zsynchronizowana. Niemożliwe było wiec uzyskanie spójnego promienia laserowego.
      Dopiero teraz naukowcy pracujący pod kierunkiem Sebastiana Klembta z Uniwersytetu w Würzburgu i Mordechaia Segeva z Izraelskiego Instytutu Technologii Technion, opracowali metodę na wymuszanie spójnej pracy 30 VCSEL. Udało im się to dzięki ułożeniu laserów tak, by geometria całości była zgodna z tym, czego uczeni dowiedzieli się z badań nad izolatorami topologicznymi.
      Izolatory topologiczne to niezwykłe materiały. Są jednorodne, a mimo to wewnątrz są izolatorami, podczas gdy ich powierzchnia jest przewodnikiem. Materiały takie odkryto dawno, ale historia ich zastosowania w laserach liczy sobie zaledwie 8 lat gdy Segev i naukowcy z Uniwersytetu w Rostocku zaprezentowali pierwszy fotoniczny izolator topologiczny. W laserze tym światło wędrowało wzdłuż krawędzi dwuwymiarowej macierzy falowodów i nie było zakłócane przez ich niedoskonałości. Kilka lat później Segev wraz z inną już grupą współpracowników pokazał, że możliwe jest zmuszenie wielu takich laserów do współdziałania. Jednak system miał poważne ograniczenia. Światło krążyło w płaszczyźnie układu, który je generował. To zaś oznaczało, że moc systemu była ograniczona przez wielkość urządzenia do emisji światła. Naukowcy porównują to do elektrowni, z której wychodzi tylko jedno gniazdko do podłączenia urządzenia.
      Nowa topologiczna macierz VSCEL składa się z dwóch typów macierzy w kształcie plastra miodu, na wierzchołkach których umieszczono nanoskalowe kolumienki. Jednym z typów macierzy jest macierz rozciągnięta, drugim – ściśnięta. Uczeni stworzyli specjalny interfejs pomiędzy nimi. Gdy ma on odpowiednie parametry, otrzymujemy topologiczny interfejs, w którym światło musi przepływać pomiędzy laserami. Taki ciągły topologicznie chroniony przepływ światła powoduje, że światło każdego z laserów musi dotrzeć do wszystkich innych laserów, dzięki czemu otrzymujemy spójną wiązkę, wyjaśnia Segev. Obecnie więc światło krąży w całej macierzy, ale jest też emitowane przez każdy z laserów, wchodzących w jej skład.
      Topologiczne założenia naszego lasera będą działały dla wszystkich długości fali i różnych materiałów. To, ile mikrolaserów możemy połączyć w macierz zależy wyłącznie od tego, jak mają być stosowane. Możemy stworzyć wielką macierz i powinna ona emitować spójne światło dla dużej liczby laserów. To wspaniałe, że topologia, która w przeszłości była wyłącznie dziedziną matematyki, staje się rewolucyjnym narzędziem pozwalającym na kontrolowanie i udoskonalanie laserów, cieszy się profesor Klembt.
      Nasza praca to przykład potęgi topologicznego transportu światła. Niewielkie sprzężenie na płaszczyźnie wystarczy, by wymusić na macierzy indywidualnych źródeł emisji działanie w roli pojedynczego źródła, czytamy na łamach Science.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Przemysł samochodowy od dawna próbuje stworzyć indywidualne strefy odsłuchowe dla pasażerów samochodów osobowych. W strefach takich każda osoba mogłaby słuchać ulubionej muzyki nie używając przy tym słuchawek i nie przeszkadzając innym w odbiorze ich muzyki.
      Naukowcy ze Stellantis i Laboratoire d’Acoustique de l’Universite du Mans informują właśnie na łamach The Journal of the Acoustical Society of America, że stworzyli algorytm, który na bieżąco tworzy takie strefy w kabinie samochodu i dopasowuje je do zmieniających się warunków. Dzięki temu każdy może np. słuchać innej muzyki nie używając słuchawek i nie przeszkadzając współpasażerom. Algorytm koordynuje działanie różnych źródeł dźwięku w samochodzie tak, by powstawały „jasne” strefy odsłuchowe o dobrej jakości dźwięku oraz strefy „ciemne”, gdzie jakość dźwięku jest gorsza.
      Prywatne strefy odsłuchowe są tworzone za pomocą zestawu głośników i filtrów odpowiednio dostrajających dźwięk i jego rozchodzenie się w kabinie. Zorganizowanie takich predefiniowanych stref w samochodzie możliwe jest już od pewnego czasu, problem jednak w tym, że by się one nie sprawdziły. Wystarczy bowiem zmiana temperatury, zmiana liczby osób w samochodzie czy pozycji siedzeń, by zdefiniowane z góry strefy nie spełniały swojej roli.
      Specjaliści ze Sellantisa i Universite du Mans poradzili sobie z tym problemem umieszczając w samochodzie mikrofony próbkujące dźwięk w czasie rzeczywistym. Specjalny algorytm analizuje dane z mikrofonów i dostraja pracę filtrów, gdy wykryje zmiany w środowisku akustycznym kabiny. Na przykład wówczas, gdy zmieni się pozycja fotela. Głośniki znajdują się w zagłówkach, a specjalne filtry pracują tak, by w określonej strefie zapewnić dobrą jakość dźwięku, a jednocześnie, by dźwięk ten był jak najsłabszy poza tą strefą, mówi jeden z autorów badań, Lucas Vindrola.
      System jest w stanie uzyskać różnicę głośności pomiędzy dwoma przednimi fotelami na poziomie 30 decybeli. To taka różnica, jak pomiędzy normalną rozmową a szeptem. Co więcej, potrafi utrzymać tę różnicę nawet jeśli fotele zostaną przesunięte nawet o 12 cm. Trzeba za to zapłacić umieszczeniem mikrofonów w kabinie, by algorytm mógł działać. Wyniki były bardzo obiecujące, nawet gdy ograniczyliśmy liczbę mikrofonów, dodaje Vindrola. Jego zdaniem taki system może znaleźć też zastosowanie w innych miejscach, np. w muzeach.
      Na razie system ma poważne ograniczenia. Działa w zakresie od 100 do 1000 herców czyli od basów po dźwięk standardowej ludzkiej mowy. W następnym etapie badań naukowcy chcą zwiększyć zakres do 10 000 herców.

      « powrót do artykułu
  • Recently Browsing   0 members

    No registered users viewing this page.

×
×
  • Create New...