يكتشف الفيزيائيون نوعًا جديدًا رائعًا من الموجات الصوتية
هل يمكنك تخيل انتقال الصوت بنفس الطريقة التي ينتقل بها الضوء؟
اكتشف فريق بحثي في جامعة مدينة هونج كونج (CityU) نوعًا جديدًا من الموجات الصوتية:
تهتز الموجة الصوتية المحمولة جواً بشكل عرضي وتحمل كلاً من الزخم الزاوي والدوراني المداري مثل الضوء.
حطمت النتائج المعتقدات السابقة للعلماء حول الموجة الصوتية ، وفتحت طريقا لتطوير تطبيقات جديدة في الاتصالات الصوتية ، والاستشعار الصوتي ، والتصوير.
بدأ البحث وشارك في قيادته الدكتور وانج شوبو ، الأستاذ المساعد في قسم الفيزياء في CityU ، وتم إجراؤه بالتعاون مع علماء من جامعة هونج كونج المعمدانية (HKBU) وجامعة هونج كونج للعلوم والتكنولوجيا (HKUST).
تم نشره في Nature Communications ، بعنوان "تفاعلات مدار الدوران للصوت المستعرض".
أبعد من الفهم التقليدي للموجة الصوتية
تخبرنا كتب الفيزياء المدرسية أن هناك نوعين من الموجات. في الموجات المستعرضة مثل الضوء ، تكون الاهتزازات متعامدة مع اتجاه انتشار الموجة.
في الموجات الطولية مثل الصوت ، تكون الاهتزازات موازية لاتجاه انتشار الموجة.
لكن أحدث اكتشاف قام به علماء من CityU غيّر هذا الفهم للموجات الصوتية.
قال د. وانغ.
في حين أن الصوت المحمول في الهواء هو موجة طولية في الحالات العادية ، فقد أظهرنا لأول مرة أنه يمكن أن يكون موجة عرضية في ظل ظروف معينة.
ودرسنا تفاعلاته في المدار الدوراني (خاصية مهمة لا توجد إلا في الموجات المستعرضة) ، أي الاقتران بين نوعين من الزخم الزاوي.
يوفر الاكتشاف درجات جديدة من الحرية للتلاعب بالأصوات ".
وأوضح الدكتور وانغ أن غياب قوة القص في الهواء ، أو السوائل ، هو السبب في أن الصوت هو موجة طولية.
لقد كان يستكشف ما إذا كان من الممكن تحقيق الصوت المستعرض ، والذي يتطلب قوة القص.
ثم تصور فكرة أن قوة القص الاصطناعية قد تنشأ إذا تم فصل الهواء إلى "ذرات ميتا" ، أي الهواء الحجمي المحصور في رنانات صغيرة بحجم أصغر بكثير من الطول الموجي.
يمكن أن تؤدي الحركة الجماعية لهذه "الذرات الفوقية" من الهواء إلى ظهور صوت عرضي على المقياس العياني.
تصور وإدراك "المواد الخارقة الدقيقة القطبية"
لقد صمم ببراعة نوعًا من المواد الاصطناعية تسمى "المواد الخارقة القطبية الدقيقة" لتنفيذ هذه الفكرة ، والتي تبدو وكأنها شبكة معقدة من الرنانات.
الهواء محصور داخل هذه الرنانات المتصلة ببعضها البعض ، مكونة "الذرات الفوقية".
المادة الخارقة صلبة بدرجة كافية بحيث لا يهتز سوى الهواء الموجود بالداخل ويدعم انتشار الصوت.
أظهرت الحسابات النظرية أن الحركة الجماعية لهذه "الذرات الفوقية" في الهواء تنتج بالفعل قوة القص ، والتي تؤدي إلى ظهور الصوت المستعرض مع تفاعلات الدوران والمدار داخل هذه المادة الفوقية.
تم التحقق من هذه النظرية من خلال التجارب التي أجرتها مجموعة الدكتور Ma Guancong في HKBU.
علاوة على ذلك ، اكتشف فريق البحث أن الهواء يتصرف مثل مادة مرنة داخل المادة الفوقية الدقيقة القطبية ،
وبالتالي يدعم الصوت المستعرض مع كل من الزخم الزاوي الدوراني والمداري.
باستخدام هذه المادة الخارقة ، أظهروا نوعين من تفاعلات الصوت في المدار الدوراني لأول مرة.
أحدهما هو تفاعل الزخم-الفضاء-المدار الذي يؤدي إلى الانكسار السلبي للصوت المستعرض ، مما يعني أن الصوت ينحني في اتجاهات معاكسة عند المرور عبر واجهة.
واحد آخر هو تفاعل الدوران-المدار في الفضاء الحقيقي الذي يولد دوامات صوتية تحت إثارة الصوت المستعرض.
أظهرت النتائج أن الصوت المحمول في الهواء ، أو الصوت في السوائل ، يمكن أن يكون موجة عرضية وتحمل خصائص ناقلات كاملة مثل الزخم الزاوي الدوراني مثل الضوء.
يوفر منظورات ووظائف جديدة لمعالجة الصوت بما يتجاوز الدرجة القياسية التقليدية للحرية.
هذه مجرد مقدمة.
قال الدكتور وانغ:
"نتوقع المزيد من الاستكشافات للخصائص المثيرة للاهتمام للصوت المستعرض".
"في المستقبل ، من خلال التلاعب بهذه الخصائص المتجهية الإضافية ، قد يكون العلماء قادرين على ترميز المزيد من البيانات في الصوت المستعرض لكسر عنق الزجاجة للاتصال الصوتي التقليدي بواسطة الموجات الصوتية العادية".
يتيح تفاعل السبين مع الزخم الزاوي المداري معالجة غير مسبوقة للصوت عبر زخمها الزاوي.
وأضاف:
"قد يفتح هذا الاكتشاف طريقاً لتطوير تطبيقات جديدة في الاتصالات الصوتية والاستشعار الصوتي والتصوير".
تعليقات
إرسال تعليق