Konsorcjum chińskich instytucji naukowych opracowało interesujące rozwiązanie tego problemu. W Journal of Applied Physics publikacji doczekały się wyniki badań nad prototypem metamateriału akustycznego wykorzystującego struktury fraktalne, który może znacząco poprawić równomierność rozkładu dźwięku w kabinie pojazdu.
Geometria kabiny samochodowej jako wyzwanie dla dźwięku
Nierównomierne rozprowadzenie dźwięku w samochodzie wynika z kilku czynników. Głośniki z natury są kierunkowe, co oznacza, że emitują fale dźwiękowe w określonych kierunkach zamiast równomiernie we wszystkich stronach. Dodatkowo skomplikowane kształty wnętrza pojazdu, a w tym fotele, konsola środkowa i słupki dachowe, powodują liczne odbicia i zakłócenia fal akustycznych. Szczególnie problematyczne okazują się wysokie częstotliwości, które charakteryzują się krótszymi falami, przez co łatwiej ulegają zakłóceniom.
Czytaj też: Napęd 4×4 wymyślony na nowo. Pożegnaj dyferencjały i kontrolę trakcji, a powitaj pełną kontrolę
W praktyce więc kierowca może cieszyć się doskonałym brzmieniem, podczas gdy osoba na tylnym siedzeniu słyszy znacznie stonowany i mniej wyraźny dźwięk. Dotychczasowe próby radzenia sobie z tym wyzwaniem koncentrowały się głównie na precyzyjnym rozmieszczeniu większej liczby głośników oraz ich elektronicznym strojeniu, co jednak znacząco podnosiło koszty całego systemu audio. Musi więc być lepsze rozwiązanie, co nie?
Fraktale w służbie akustyki
Badacze postanowili podejść do problemu od zupełnie innej strony, wykorzystując struktury fraktalne, a konkretnie mówiąc, płatek Kocha. Ten geometryczny kształt charakteryzuje się fascynującą właściwością, bo jego obwód zwiększa się z każdą iteracją, podczas gdy powierzchnia pozostaje bez zmian.
Kiedy fale dźwiękowe oddziałują z przeszkodami porównywalnymi rozmiarem do ich długości fali, występują efekty dyfrakcji, szczególnie na krawędziach. Struktury fraktalne, których obwód i morfologia ewoluują wraz ze wzrostem wymiaru fraktalnego, oferują obiecujące rozwiązanie do zarządzania tymi efektami dyfrakcji. – wyjaśnia Ming-Hui Lu, jeden z autorów badania.
Czytaj też: Najlepszy motocykl na start? Legenda wróciła z ciekawym twistem
Opracowany metamateriał działa jak inteligentny rozpraszacz fal dźwiękowych. Zamiast pozwalać falom propagować się w jednym kierunku, zwiększa dyfrakcję krawędziową, co powoduje, że fale “zawijają się” wokół struktury i następnie rozchodzą się szerzej. Kluczową zaletą tego rozwiązania jest fakt, że metamateriał osiąga ten efekt bez zwiększania swoich fizycznych rozmiarów, co czyni go praktycznym do zastosowania w ciasnych wnętrzach samochodowych.
Od koncepcji do praktycznego zastosowania
Zespół badawczy przeprowadził dwuetapowy proces testowy. Początkowo w kontrolowanych warunkach laboratoryjnych, a następnie w rzeczywistym pojeździe, kiedy to prototyp został umieszczony bezpośrednio na głośniku samochodowym. Pomiary poziomów ciśnienia akustycznego na różnych pozycjach w kabinie wykazały znaczące zmniejszenie różnic między poszczególnymi siedzeniami. Jednak to najważniejsze odkrycie dotyczyło wysokich częstotliwości, które tradycyjnie sprawiają najwięcej problemów w równomiernym rozprowadzeniu.
Czytaj też: Toyota się chwali. Elektryk przeżyje Twoje dwa spalinowe samochody
Warto zauważyć, że wyniki testów drogowych były niemal identyczne z laboratoryjnymi, co potwierdza stabilność działania metamateriału w zmiennych warunkach, takich jak drgania, wahania temperatury czy obecność pasażerów. Dobrze jest więc słyszeć, że naukowcy nie zamierzają poprzestać na dotychczasowych osiągnięciach. Planują dalsze prace nad rozszerzeniem pasma działania metamateriału, aby obejmował jeszcze szerszy zakres częstotliwości. Równocześnie prowadzą rozmowy z chińskim producentem samochodów Chery Automobile dotyczące potencjalnej komercjalizacji technologii. Jeśli współpraca zakończy się sukcesem, fraktalne metamateriały mogą pojawić się w seryjnie produkowanych pojazdach w ciągu najbliższych kilku lat.