Новый метод измерений раскрывает источник характерного звука крыльев колибри
Колибри получила своё название из-за жужжащего звука, который издает при зависании перед цветами. Только теперь стало понятно, как крыло генерирует этот звук при частоте взмахов до 40 раз в секунду. Исследователи из Технологического университета Эйндховена, его спин-оффа Sorama и Стэнфордского университета использовали 12 высокоскоростных камер, шесть датчиков давления и 2176 микрофонов. Они обнаружили, что мягкие, сложно устроенные перьевые крылья колибри генерируют звук аналогично более простым крыльям насекомых. Новые данные могут помочь сделать тише такие устройства, как вентиляторы и дроны.
Инженерам впервые удалось точно измерить источник звука, создаваемого машущими крыльями летающего животного. Жужжание колибри возникает из-за разницы давлений между верхней и нижней сторонами крыла, которая меняется по величине и направлению при взмахах. Эти перепады давления создают аэродинамическую силу, позволяющую птице взлетать и зависать.
В отличие от крыльев других птиц, крыло колибри создает сильную подъемную силу как при движении вниз, так и вверх — дважды за взмах. Хотя вклад вносят и сила подъема, и сила сопротивления, именно подъемная сила оказалась основным источником жужжания.
Разница между писком, жужжанием, гудением и шелестом
Профессор Дэвид Лентинк из Стэнфорда объясняет: «Поэтому птицы и насекомые издают разные звуки. Комары пищат, пчелы гудят, колибри жужжат, а крупные птицы «шелестят». Большинство птиц относительно тихие, потому что создают основную подъемную силу только один раз за взмах, при движении вниз. Колибри и насекомые шумнее, потому что делают это дважды».
Исследователи объединили все измерения в 3D-акустическую модель крыльев птиц и насекомых. Модель не только дает биологическое понимание генерации звука, но и предсказывает, как аэродинамические характеристики крыла влияют на громкость и тембр звука. «Характерный звук колибри воспринимается как приятный из-за множества «обертонов», создаваемых меняющимися аэродинамическими силами. Крыло колибри похоже на прекрасно настроенный инструмент», — говорит Лентинк.
Высокотехнологичная звуковая камера
Ученые исследовали шесть особей калипты Анны. Птиц по одной помещали в специальную камеру, где они пили сахарную воду из искусственного цветка. Вокруг были установлены камеры, микрофоны и датчики давления для точной записи каждого взмаха.
Генеральный директор Sorama Рик Шолте поясняет: «Чтобы сделать звук видимым, мы использовали сложные звуковые камеры, разработанные моей компанией. Оптические камеры подключены к сети из 2176 микрофонов. Вместе они работают как тепловизор, но мы визуализируем звук в виде «тепловой карты», что позволяет детально рассмотреть 3D-звуковое поле».
Новые датчики аэродинамических сил
Для интерпретации 3D-звуковых изображений необходимо было знать движение крыла в каждой точке измерения. Для этого использовались двенадцать высокоскоростных камер Стэнфорда.
Лентинк отмечает: «Но это еще не все. Нам также нужно было измерить аэродинамические силы, создаваемые крыльями в полете. Для этого пришлось разработать новый прибор». В последующем эксперименте шесть высокочувствительных датчиков давления впервые зафиксировали силы подъема и сопротивления, создаваемые крыльями при движении вверх и вниз.
Затем терабайты данных нужно было синхронизировать. Ученые хотели точно знать, какое положение крыла производит какой звук и как это связано с перепадами давления. Шолте: «Поскольку свет распространяется намного быстрее звука, нам пришлось калибровать каждый кадр отдельно для камер и микрофонов, чтобы записи звука и изображения всегда точно соответствовали друг другу».
Алгоритм как художник-композитолог
После точного совмещения положения крыла, соответствующего звука и перепадов давления для каждого кадра, исследователи столкнулись со сложностью интерпретации огромного объема данных. С этой задачей помог справиться искусственный интеллект, разработанный аспирантом TU/e Патриком Вейнингсом.
Вейнингс: «Мы разработали алгоритм, который может интерпретировать 3D-акустическое поле из измерений. Это позволило определить наиболее вероятное звуковое поле колибри. Решение этой обратной задачи похоже на работу художника, составляющего фоторобот: использование нескольких ключей для создания наиболее надежного изображения. Так мы избегаем ситуации, когда небольшое искажение в измерениях меняет результат».
В итоге все результаты удалось свести к простой 3D-акустической модели, заимствованной из мира самолетов и математически адаптированной для машущих крыльев. Она предсказывает звук, излучаемый машущими крыльями: не только жужжание колибри, но и шелест других птиц и летучих мышей, гудение и писк насекомых и даже шум роботов с машущими крыльями.
Снижение шума дронов
Хотя это и не было основной целью исследования, полученные знания могут помочь улучшить роторы самолетов и дронов, а также вентиляторы ноутбуков и пылесосов. Новые идеи и инструменты могут помочь сделать инженерные устройства, создающие сложные силы подобно животным, более тихими.
Именно этим и занимается Sorama: «Мы делаем звук видимым, чтобы сделать приборы тише. Шумовое загрязнение становится все большей проблемой. Одного лишь децибелметра недостаточно. Нужно знать, откуда исходит звук и как он производится, чтобы его устранить. Для этого и нужны наши звуковые камеры. Это исследование крыла колибри дает нам совершенно новую и очень точную модель в качестве отправной точки», — заключает Шолте.
Исследование опубликовано 16 марта в журнале eLife под заголовком «How Oscillating Aerodynamic Forces Explain the Timbre of the Hummingbird's Hum and Other Animals in Flapping Flight».