Rotācija rada "negatīvu" skaņu

Pagrietais Doplera efekts apvērš skaņas viļņu orbitālo leņķisko impulsu

Pārsteidzoša fizika: Tikai pagriežot skaņas viļņu frekvenci var novirzīt uz negatīvu. © lpettet / iStock
lasīt skaļi

Dīvains efekts: pētniekiem pirmo reizi ir izdevies radīt skaņas viļņus ar negatīvu frekvenci. Vispirms šeit ierodas pēdējie izstarotie skaņas viļņi - viņi, tā sakot, apdzen sevi, un to padara iespējamu Doplera efekta variants, ko rada rotācija. Tas, kā skaidro pētnieki, manipulē ar viļņu orbitālo leņķisko impulsu, lai tas mainītos. Pirmoreiz viņi eksperimentāli demonstrēja šo rotējošā Doplera efekta efektu.

Doplera efekts pierāda, ka skaņas viļņi mainās atkarībā no to avota un uztvērēja ātruma: Ja skaņas avots ātri virzās uz mums, skaņa tiek saspiesta un skaņa šķiet augstāka. No otras puses, tas izklausās zemāk, jo skaņas avots aiziet. Bet vēl ekstrēmāki ir efekti virsskaņas tempā: Šeit tas pat var izraisīt viļņu apgriezšanos - sava veida negatīvu frekvenci.

"Pie šādiem ātrumiem jūs dzirdētu sirēnas skaņu aizmugurē, " saka vecākais autors Miles Padgett no Glāzgovas universitātes. “Tā kā klausītājs tagad ir ātrāks par skaņu un tādējādi jaunākie toņi sasniedz viņa ausu agrāk nekā vecāki - tieši pretēji kā normālā ātrumā.” Šis efekts iepriekš bija zināms tikai virsskaņas ātrumiem un lineārajam Doplera efektam.

Skrūvēti savīti skaņas viļņi

Bet tagad Padgett un viņa kolēģi pirmo reizi ir pierādījuši šo efektu bez virsskaņas efektiem - izmantojot tā saukto rotācijas Doplera efektu. Tas notiek, kad skaņas avots griežas un tādējādi rada spirālē savīti skaņas viļņi. Līdzīgi kā ar "korķviļķu" gaismu, mainās viļņu orbitālais leņķiskais impulss.

Eksperimenta struktūra: 16 skaļruņi uz gandrīz 50 centimetru riņķa rada akustisku lauku ar orbītas leņķisko impulsu. Viļņvadi noved skaņu uz mazāku gredzenu ar diviem Gib Gibson et al. / PNAS, CC-by-nc-nd 4.0

Tomēr līdz šim ar šīs rotācijas palīdzību nav bijis iespējams tik daudz manipulēt ar viļņiem, ka tie apdzītu sevi un tādējādi rastos negatīvas frekvences. Bet Padgett un viņa kolēģi joprojām ir uzdrošinājušies mēģinājumu. Eksperimentam viņi apļveida formā uz pagriežama gredzena piestiprināja 16 skaļruņus. Ja no šiem rotējošajiem avotiem tiek nosūtīta skaņa ar nedaudz nobīdītu fāzi, tiek ģenerēts skaņas vilnis ar orbītas leņķisko impulsu. displejs

Lai cīnītos, pētnieki atveda divus arī pagriežami piestiprinātus mikrofonus, caur kuriem viņi varēja noteikt skaņas viļņu orbitālo leņķisko impulsu. "Rotācijas Doplera efektu var izmērīt, izsekojot spektra maksimumus, ko reģistrē rotējošie mikrofoni, " skaidro zinātnieki.

"Pārveidota" frekvence

Kad pētnieki pagrieza abus gredzenus, tas bija pārsteidzoši: "Tas ļāva mums radīt akustiskus viļņus, kurus rotācijas Doplera efekts pārvērta negatīvā, " saka pirmais autors Graham Gibson no Glāzgovas universitātes. "Viņu orbitālais impulss tika mainīts - tas nekad agrāk nav pierādīts."

Frekvences maiņa kļuva redzama spektra amplitūdā. Dēls Gibsons et al / PNAS, CC-by-nc-nd 4.0

Aizraujoši arī: šis “umgest lpten” skaņas viļņu efekts notika pat pie rotācijas ātrumiem, kas ir daudz zemāki par virsskaņas ātrumu. "Mēs varējām ģenerēt šīs negatīvās frekvences, kamēr mūsu mikrofona gredzens rotēja ar ātrumu tikai 25 Hz - tas nebūtu iespējams ar lineārā Doplera efektu, " saka Gibsons.

Ar savu eksperimentu pētnieki pirmo reizi pierādīja, ka ar rotācijas Doplera efektu var radīt negatīvu frekvences nobīdi un apgrieztu orbītas leņķisko impulsu.

Līdzīgs efekts ar gaismu?

Gibsons un viņa kolēģi liek domāt, ka līdzīgas lietas varētu notikt arī ar elektromagnētiskajiem viļņiem. "Neparastie efekti mūsu akustiskajā režīmā ir vispārīgāka viļņu fizikas iezīme, " saka zinātnieki. "Tādēļ tiem varētu būt ietekme uz gaismas mijiedarbību ar ļoti ātri rotējošām sistēmām."

Tomēr joprojām nav skaidrs, kādām lietojumprogrammām būtu šis savādi efekts. "Mēs ceram izpētīt šo pierādījumu sekas, " saka līdzautors Deivs Filipss no Ekseteras universitātes. "Tomēr šim aizraujošajam atradumam varētu būt pielietojums dažādās zinātnes disciplīnās, ieskaitot kvantu lauka teoriju." (Nacionālās zinātņu akadēmijas izdevums, 2018; doi: 10.1073 / pnas.1720776115)

(Glāzgovas Universitāte, 28.03.2018. - NPO)