Команде инженеров впервые удалось измерить точное происхождение звука, издаваемого взмахами крыльев летающего животного. Гул колибри возникает из-за разницы давлений между верхней и нижней сторонами крыльев, которая изменяется как по величине, так и по ориентации, когда крылья взмахивают вперед и назад.
Эти перепады давления над крылом важны, потому что они обеспечивают чистую аэродинамическую силу, которая позволяет птице колибри взлетать и парить.
В отличие от других видов птиц, крыло колибри создает сильную аэродинамическую силу, направленную вверх при движении крыла вниз и вверх, поэтому дважды за взмах крыла.
Принимая во внимание, что обе разницы давления из-за подъемной силы и силы сопротивления, действующей на крыло, вносят свой вклад, оказывается, что разница давлений подъема вверх является основным источником шума.
Разница между нытьем, жужжанием, жужжанием и ухаживанием
Профессор Дэвид Лентинк из Стэнфордского университета: «Вот почему птицы и насекомые издают разные звуки. Воют комары, жужжат пчелы, жужжат колибри, а птицы более крупные.
Большинство птиц относительно тихие, потому что они создают большую часть подъемной силы только один раз во время взмаха крыльев при движении вниз. Колибри и насекомые более шумные, потому что они делают это дважды за взмах крыльев."
Исследователи объединили все измерения в трехмерной акустической модели крыльев птиц и насекомых. Модель не только обеспечивает биологическое понимание того, как животные генерируют звук с помощью хлопающих крыльев, но также предсказывает, как аэродинамические характеристики взмахивающего крыла придают звуку крыла его объем и тембр. "Характерный звук колибри воспринимается как приятный из-за множества" обертонов ", создаваемых различными аэродинамическими силами на крыле.
Крыло колибри похоже на красиво настроенный инструмент, – с улыбкой объясняет Лентинк.
Высокотехнологичная звуковая камера
Чтобы прийти к своей модели, ученые исследовали шесть колибри Анны, самых распространенных видов в Стэнфорде. Одна за другой они заставляли птиц пить сахарную воду из искусственного цветка в специальной полетной камере.
Вокруг камеры, невидимой для птицы, были установлены камеры, микрофоны и датчики давления для точной записи каждого взмаха крыльев при зависании перед цветком.
Нельзя просто пойти и купить необходимое для этого оборудование в магазине электроники. Генеральный директор и исследователь Рик Шольте из Sorama, дочернего предприятия TU Eindhoven: «Чтобы сделать звук видимым и иметь возможность исследовать его в деталях, мы использовали сложные звуковые камеры, разработанные моей компанией.
Для этого оптические камеры подключены к сети из 2176 микрофонов. Вместе они немного похожи на тепловизионную камеру, которая позволяет отображать тепловизионное изображение.
Мы делаем звук видимым на «тепловой карте», которая позволяет нам детально рассмотреть трехмерное звуковое поле."
Новые датчики аэродинамической силы
Для интерпретации трехмерных звуковых изображений важно знать, какое движение совершает крыло птицы в каждой точке измерения звука.
Для этого в игру вступили двенадцать высокоскоростных камер Стэнфорда, фиксирующие точное движение крыла кадр за кадром.
Лентинк: "Но это еще не конец истории. Нам также нужно было измерить аэродинамические силы, которые крылья колибри создают в полете.
Для этого нам пришлось разработать новый инструмент.«В ходе последующего эксперимента шести высокочувствительным нажимным пластинам, наконец, удалось записать подъемную силу и силу сопротивления, создаваемую крыльями при их движении вверх и вниз, что стало первым.
Затем необходимо было синхронизировать терабайты данных. Исследователи хотели точно знать, какое положение крыла производит какой звук и как это связано с разницей давления. Шольте: «Поскольку свет распространяется намного быстрее звука, нам пришлось откалибровать каждый кадр отдельно как для камер, так и для микрофонов, чтобы звукозаписи и изображения всегда точно соответствовали друг другу.«Поскольку камеры, микрофоны и датчики находились в разных местах комнаты, исследователям также пришлось исправить это.
Алгоритм как композитор
После того, как местоположение крыла, соответствующий звук и перепады давления были точно согласованы для каждого кадра видео, исследователи столкнулись со сложностью интерпретации данных большого объема. Исследователи решили эту проблему, используя искусственный интеллект, исследование аспиранта TU / e и соавтора Патрика Вейнингса.
Вейнингс: «Мы разработали для этого алгоритм, который может интерпретировать трехмерное акустическое поле на основе измерений, и это позволило нам определить наиболее вероятное звуковое поле колибри.
Решение этой так называемой обратной задачи напоминает то, что делает полицейский художник-композитор: использует несколько подсказок, чтобы сделать наиболее надежный рисунок подозреваемого. Таким образом вы избегаете возможности того, что небольшое искажение измерений изменит результат."
Исследователям наконец удалось объединить все эти результаты в простую трехмерную акустическую модель, заимствованную из мира самолетов и математически адаптированную для взмахов крыльев. Он предсказывает звук, излучаемый взмахами крыльев, не только жужжание колибри, но и шорох других птиц и летучих мышей, жужжание и нытье насекомых и даже шум, который издают хлопающие крылья роботы.
Делаем дроны тише
Хотя это не было предметом настоящего исследования, полученные знания могут также помочь улучшить роторы самолетов и дронов, а также вентиляторы ноутбуков и пылесосов.
Новые идеи и инструменты могут помочь создавать специальные устройства, которые генерируют сложные силы, такие как животные, тише.
Это именно то, к чему стремится Сорама: «Мы делаем звук видимым, чтобы сделать технику тише. Шумовое загрязнение становится все более серьезной проблемой.
И один децибелметр не решит эту проблему. Вам нужно знать, откуда исходит звук и как он создается, чтобы иметь возможность его устранить. Вот для чего наши звуковые камеры.
Это исследование крыльев колибри дает нам совершенно новую и очень точную модель в качестве отправной точки, чтобы мы могли делать нашу работу еще лучше », – заключает Шольте.
Это исследование будет опубликовано 16 марта в журнале eLife под заголовком «Как колеблющиеся аэродинамические силы объясняют тембр гудения колибри и других животных во время полета."Экспериментальная и аналитическая работа в рамках этого исследования была проведена докторантом Патриком Вейнингсом из Технического университета Эйндховена под руководством Рика Шолте из Сорамы и Сандера Стейка и Хенка Корпорала из Тюменского университета / е, а также аспирантом Беном Хайтауэром из Стэнфорда под руководством Дэвида Лентинк из Стэнфордского университета при участии четырех соавторов из лаборатории Лентинк: Риверс Ингерсолл, Дайана Чин, Джейд Нгуен и Дэниел Шорр.
Это исследование финансировалось программой NWO Perspectief ZERO и Национальным научным фондом CAREER AWARD (NSF).