Max Home IndustryКолибри названо в честь приятного жужжания, когда она парит перед цветами, чтобы кормиться. Но только сейчас стало ясно, как крыло издает звук тезки колибри, когда оно быстро бьется со скоростью 40 ударов в секунду. Исследователи из Технологического университета Эйндховена, компании Sorama, дочерней компании TU / e, и Стэнфордского университета тщательно наблюдали за колибри, используя 12 высокоскоростных камер, 6 нажимных пластин и 2176 микрофонов. Они обнаружили, что мягкие и сложные оперенные крылья колибри издают звук аналогично тому, как это делают более простые крылья насекомых. Новые идеи помогут сделать такие устройства, как вентиляторы и дроны, тише.
Команде инженеров впервые удалось точно определить источник звука, издаваемого хлопающими крыльями 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 взмахе крыла вниз и вверх, то есть дважды за взмах крыла. Принимая во внимание, что оба давления из-за подъемной силы и силы сопротивления, действующей на крыло, вносят свой вклад, оказывается, что разница давления 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 более крупные птицы« гудят». Большинство птиц относительно тихие, потому что они производят большую часть шума. поднимать только один раз во время взмаха крыла при движении вниз. Колибри и насекомые более шумные, потому что они делают это дважды за взмах крыла».
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, действующими на крыло. Крыло колибри похоже на красиво настроенный инструмент», — объясняет Лентинк с улыбкой.
Высокотехнологичная звуковая камера
Чтобы создать свою модель, ученые исследовали шесть колибри Анны, наиболее распространенный вид в Стэнфорде. Одна за другой они заставляли птиц пить сахарную воду из искусственного цветка в специальной полетной камере. Вокруг камеры, невидимой для птиц, были установлены камеры, микрофоны и датчики давления, чтобы точно записывать каждое взмахивание крыльев при парении 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 звук был видимым и можно было исследовать его в деталях, мы использовали сложные звуковые камеры, разработанные моей компанией. Оптические камеры подключены к сети 2176 микрофонов для этой цели. Вместе они работают как тепловизионная камера, которая позволяет отображать тепловое изображение. Мы делаем звук видимым на «тепловой карте», которая позволяет нам детально рассмотреть трехмерное звуковое поле».
Новые датчики аэродинамической силы
Чтобы интерпретировать трехмерные звуковые образы, 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 впервые зарегистрировать подъемную силу и силу сопротивления, создаваемую крыльями при их движении вверх и вниз.
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 это исправить.
Алгоритм композитора
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 с помощью искусственного интеллекта, исследования аспиранта Технического университета 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 Полицейский художник-композитор: использует несколько подсказок, чтобы сделать наиболее надежный рисунок подозреваемого. Таким образом, вы избегаете возможности того, что небольшое искажение в измерениях 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 также шепот других птиц и летучих мышей, жужжание и нытье насекомых и даже шум, который издают хлопающие крылья роботы.
Как сделать дроны тише
Хотя это не было предметом исследования, полученные знания могут также помочь улучшить роторы самолетов и дронов, а также вентиляторы ноутбуков и пылесосов. Новые идеи и инструменты могут помочь в разработке устройств, генерирующих сложные силы, такие как животные, более тихие.
Это именно то, к чему стремится Сорама: «Мы делаем звук видимым, чтобы сделать технику тише. Шумовое загрязнение становится все более серьезной проблемой. И децибелметр сам по себе не решит эту проблему. Вы должны знать откуда исходит звук и как он создается, чтобы иметь возможность его устранить. Вот для чего предназначены наши звуковые камеры. Это исследование крыльев колибри дает нам совершенно новую и очень точную модель в качестве отправной точки, поэтому мы можем сделать наша работа 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 в машущем полете». Экспериментальная и аналитическая работа в рамках этого исследования была проведена докторантом Патриком Вейнингсом из TU Eindhoven под руководством Рика Шолте из Sorama и Сандера Стейка и Хенка Корпорала из TU / e, а также аспиранта Беном Хайтауэром из Стэнфорда под руководством Дэвида Лентинка. Стэнфордского университета при содействии четырех соавторов из лаборатории Lentink: Риверс Ингерсолл, Дайана Чин, Джейд Нгуен и Дэниел Шорр. Это исследование финансировалось программой NWO Perspectief ZERO и Национальным научным фондом CAREER AWARD (NSF).