Νέες ανακαλύψεις στον χώρο του ήχου

1. Κρύσταλλα μικρών διαστάσεων χρησιμοποιούνται για ηχητικό φράγμα
2. Νέο φως στην ηχοφωταύγεια

Από σελίδα του PhysicsWeb Σεπτέμβριος 2000

Φυσικοί στο Πανεπιστήμιο των επιστημών και της Τεχνολογίας του Hong Kong έχουν κατασκευάσει "ηχητικά κρύσταλλα" λίγων εκατοστών σε μέγεθος που είναι σε θέση να μπλοκάρουν τον καθημερινό θόρυβο.
Ο Zhengyou Liu και οι συνάδελφοι του διαπίστωσαν ότι μια πλάκα 2 cm κρυστάλλου μπορεί να απορροφήσει τον ήχο σε τέτοιο βαθμό που κανονικά θα απαιτούσε μια πολύ παχύτερη ακουστική ασπίδα. Το νέο υλικό παραβαίνει αυτόν τον νόμο "μαζικής πυκνότητας" για μιά συχνότητα τουλάχιστον 400 Hz.  (Περιοδικό Nature 2000 τ.289) Το ανθρώπινο αυτί ως γνωστόν ακούει ήχους από 20 Hz έως 20 kHz.

Τα κρύσταλλα αυτά κατασκευάζονται από σφαίρες μολύβδου διαμέτρου 1cm, καλύπτονται με ένα στρώμα 2.5 mm λάστιχου σιλικόνης, και τοποθετούνται μέσα σε μια εποξική μήτρα. Η ισχυρή περιοδική παραλλαγή στην πυκνότητα του δημιουργεί τα φασματικά χάσματα που αποτρέπουν τη μετάδοση των κυμάτων. Αυτό το φαινόμενο είναι ανάλογο με τη μείωση των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων στα φωτονικά κρύσταλλα.

Η ομάδα του Liu τοποθέτησε μια ηχητική πηγή κοντά στον κρύσταλλο και σύγκρινε τα πλάτη των ηχητικών κυμάτων στην επιφάνεια του κρυστάλλου και στο κέντρο του κρυστάλλου. Βρήκαν δε ευδιάκριτα χάσματα (απουσία συχνοτήτων) στο φάσμα των συχνοτήτων που διαβιβάστηκαν μέσω του κρυστάλλου.
Οι συχνότητες που απουσιάζουν φαίνεται πως απορροφώνται από ορισμένες ταλαντώσεις των καλυπτόμενων σφαιρών, οι οποίες είναι όπως οι δονήσεις στα μοριακά κρύσταλλα.

Αλλά για να μειώσουν τον ήχο, το εύρος του δικτυωτού πλέγματος μέσα στο κρύσταλλο πρέπει συνήθως να είναι της ίδιας τάξης με το μήκος κύματος του ήχου, και για τον περιβαλλοντικό θόρυβο που εξετάζουμε τα κρύσταλλα θα έπρεπε να είναι λοιπόν της τάξης των μερικών μέτρων.
Η ομάδα του Liu όμως υπερνίκησε αυτό το πρόβλημα με τη δημιουργία άτακτων συνθέσεων των κρυστάλλων. Οι τοπικές ιδιότητες αντιχείου της άτακτης κατασκευής του κρυστάλλου, του δίνουν μια αρνητική ελαστική σταθερά έτσι ώστε η απορρόφηση του ήχου να αυξάνεται εκθετικά με το πάχος του υλικού.

Το μέγεθος και η γεωμετρία των κρυστάλλων μπορούν να μελετηθούν  έτσι ώστε να απορροφήσουν τα διαφορετικά μήκη κύματος. Η μελλοντική ανάπτυξη των ηχητικών κρυστάλλων για την  επέκταση του φάσματος των συχνοτήτων που μπορούν να χρησιμοποιηθούν,  μπορεί να οδηγήσει σε εφαρμογές στην σεισμική αντανάκλαση και στα υπερηχητικά κύματα.

Νέο φως στην ηχοφωταύγεια

Η ηχοφωταύγεια είναι το παράξενο φαινόμενο της εκπομπής φωτεινής ακτινοβολίας από ένα υγρό το οποίο περιέχει διαλυμένα αέρια και υποβάλλεται σε δονήσεις με υπερήχους. Αν η ένταση των υπερήχων είναι αρκετά μεγάλη, τότε στη μάζα του υγρού λαμβάνει χώρα ένα φαινόμενο "σπηλαίωσης". Η θερμοκρασία των παραγομένων μικροσκοπικών φυσαλλίδων του αερίου είναι πολύ μεγάλη, με αποτέλεσμα οι φυσαλλίδες να γίνονται διάπυρες (να φωτοβολούν).

Η προέλευση της ηχοφωταύγειας είναι ένα από τα μεγάλα μυστήρια στη φυσική. Σε ένα χαρακτηριστικό πείραμα ηχοφωταύγειας, η φυσαλλίδα μπορεί να επεκταθεί σε ένα μέγεθος μέχρι 50μm και έπειτα να καταρεύσει σε μιά ακτίνα λιγώτερο από 1μm, περίπου μέσα σε 50μsec. Εκπέμπονται δε σύντομες λάμψεις φωτός μέσα σε αυτήν την ελάχιστη ακτίνα.

Εως πρόσφατα το γεγονός ότι η φυσαλλίδα παρέμενε σταθερή είχε μπερδέψει τους ερευνητές. Τώρα μια απλή επέκταση του υδροδυναμικού/χημικού μοντέλου που μπορεί να εξηγήσει αυτήν τη σταθερότητα των φυσαλλίδων, μπορεί επίσης να εξηγήσει τις περισσότερες από τις ιδιότητες των εκπομπών φωτός αρκετά καλά.

Τρείς Γερμανοί ερευνητές λοιπόν επέκτειναν το πρότυπο με το να καταστήσουν τη θερμοκρασία της φυσαλλίδας εξαρτώμενη από τον όγκο του και κάνοντας μιά έκπτωση της μικρής ικανότητας του ασθενούς ιονισμένου αερίου μέσα στη φυσαλλίδα. Ο τελευταίος όρος επιτρέπεται για το γεγονός πως τα πειράματα έχουν δείξει ότι μόνο τα αέρια Nobel παραμένουν μέσα στη φυσαλλίδα κατά τη διάρκεια της ηχοφωταύγειας. Σύμφωνα με το πρότυπο τους, η ηχοφωταύγεια προξενείται από θερμική ακτινοβολία πέδησης (ενέργεια που παράγεται από ιονισμένα σωματίδια που μεταβάλουν την ταχύτητα τους) και επανασύνδεσης. Ακολούθως τα θετικά ιόντα και ηλεκτρόνια επανασυνδέονται και αφήνουν την περίσσεια της ενέργειας σαν φωτόνιο. Στο απώτερο μέλλον στην έρευνα της ηχοφωταύγειας, σκέπτονται να δημιουργηθούν συνθήκες κάτω από τις οποίες το δευτέριο και το τρίτιο θα υφίστανται θερμοπυρηνική σύντηξη σε ένα κορυφαίο πείραμα της φυσικής.