تم اكتشاف نوع جديد من الموجات الصوتية، حيث تهتز الموجة الصوتية المحمولة بالهواء بشكل عرضي وتحمل كلاً من قوة الدفع الزاوي والدوراني المداري مثل الضوء. وقد حطمت النتائج المعتقدات السابقة للعلماء حول الموجة الصوتية.
هل يمكنك تخيل انتقال الصوت بنفس الطريقة التي ينتقل بها الضوء؟ اكتشف فريق بحثي في جامعة مدينة هونغ كونغ (CityU) نوعاً جديداً من الموجات الصوتية: تهتز الموجة الصوتية المحمولة بالهواء بشكل عرضي وتحمل كلاً من قوة الدفع الزاوي والدوراني المداري مثل الضوء. حطمت النتائج المعتقدات السابقة للعلماء حول الموجة الصوتية، وفتحت طريقاً لتطوير تطبيقات جديدة في الاتصالات الصوتية، والاستشعار الصوتي، والتصوير.
بدأ البحث وشارك في قيادته الدكتور وانغ شوبو، الأستاذ المساعد في قسم الفيزياء في CityU، وتم إجراؤه بالتعاون مع علماء من جامعة هونغ كونغ المعمدانية (HKBU) وجامعة هونغ كونغ للعلوم والتكنولوجيا (HKUST). تم نشره في مجلة Nature Communications، بعنوان "تفاعلات الدوران المداري للصوت المستعرض".
فهم غير تقليدي
تخبرنا كتب الفيزياء المدرسية أن هناك نوعين من الموجات: في الموجات المستعرضة مثل الضوء، تكون الاهتزازات متعامدة مع اتجاه انتشار الموجة. أما في الموجات الطولية مثل الصوت، تكون الاهتزازات موازية لاتجاه انتشار الموجة. لكن أحدث اكتشاف قام به علماء من CityU غيّر هذا الفهم للموجات الصوتية.
إذا تحدثت إلى عالم فيزياء حول الصوت المستعرض المحمول جواً، فربما يعتقد أنك شخص عادي بدون تدريب في الفيزياء الجامعية، لأن الكتب المدرسية تقول إن الصوت المحمول جواً (أي الصوت الذي ينتشر في الهواء) هو موجة طولية، يقول د. وانغ: في حين أن الصوت المحمول في الهواء هو موجة طولية في الحالات العادية، فقد أظهرنا لأول مرة أنه يمكن أن يكون موجة عرضية في ظل ظروف معينة. وقد بحثنا في تفاعلاته في مدار الدوران (خاصية مهمة لا توجد إلا في الموجات المستعرضة)، أي الاقتران بين نوعين من قوة الدفع الزاوي. يوفر الاكتشاف درجات جديدة من الحرية للتلاعب بالأصوات.
وأوضح الدكتور وانغ أن غياب قوة القص في الهواء، أو السوائل، هو السبب في أن الصوت هو موجة طولية. لقد كان يستكشف ما إذا كان من الممكن تحقيق الصوت المستعرض، والذي يتطلب قوة القص. ثم تصور فكرة أن قوة القص الاصطناعية قد تنشأ إذا تم فصل الهواء إلى "ذرات ميتا"، أي حجم من الهواء محصور في رنانات صغيرة بحجم أصغر بكثير من الطول الموجي. يمكن أن تؤدي الحركة الجماعية لهذه "الذرات الفوقية" من الهواء إلى ظهور صوت عرضي بمقياس يمكن ملاحظته عيانياً.
المواد الخارقة الدقيقة القطبية
صمم الدكتور وانغ ببراعة نوعاً من المواد الاصطناعية تسمى "المواد الخارقة القطبية الدقيقة" لتنفيذ هذه الفكرة، والتي تبدو وكأنها شبكة معقدة من الرنانات. الهواء محصور داخل هذه الرنانات المتصلة ببعضها البعض، مكونة "الذرات الفوقية". المادة الخارقة صلبة بدرجة كافية بحيث لا يهتز سوى الهواء الموجود في الداخل ويدعم انتشار الصوت. أظهرت الحسابات النظرية أن الحركة الجماعية لهذه "الذرات الفوقية" في الهواء تنتج بالفعل قوة القص، والتي تؤدي إلى ظهور الصوت المستعرض مع تفاعلات الدوران والمدار داخل هذه المادة الفوقية. تم التحقق من هذه النظرية من خلال التجارب التي أجرتها مجموعة الدكتور Ma Guancong في HKBU.
علاوة على ذلك، اكتشف فريق البحث أن الهواء يتصرف مثل مادة مرنة داخل المادة الفوقية الدقيقة القطبية، وبالتالي يدعم الصوت المستعرض مع كل من قوة الدفع الزاوي الدوراني والمداري. باستخدام هذه المادة الخارقة، أظهر الفريق نوعين من تفاعلات الصوت في المدار الدوراني لأول مرة. أحدهما هو تفاعل قوة الدفع – الفضاء - المدار الذي يؤدي إلى الانكسار السلبي للصوت المستعرض، مما يعني أن الصوت ينحني في اتجاهات معاكسة عند المرور عبر واجهة. والآخر هو تفاعل الدوران-المدار في الفضاء الحقيقي الذي يولد دوامات صوتية بسبب إثارة الصوت المستعرض.
أظهرت النتائج أن الصوت المحمول في الهواء، أو الصوت في السوائل، يمكن أن يكون على شكل موجة عرضية وتحمل خصائص ناقلات كاملة مثل قوة الدفع الزاوي المغزلي كما يفعل الضوء. وهذا الاكتشاف قد يوفر منظورات ووظائف جديدة لمعالجة الصوت بما يتجاوز الدرجة القياسية التقليدية للحرية.
قال الدكتور وانغ: هذه مجرد مقدمة... نتوقع المزيد من الاستكشافات للخصائص المثيرة للاهتمام بخصوص الصوت المستعرض... في المستقبل، ومن خلال التلاعب بهذه الخصائص الإضافية ذات الاتجاهات المختلفة، قد يكون العلماء قادرين على ترميز المزيد من البيانات في الصوت المستعرض لكسر عنق الزجاجة للاتصال الصوتي التقليدي بواسطة الموجات الصوتية العادية.
يتيح التفاعل بين الحركة الدورانية وقوة الدفع الزاوي المداري معالجة غير مسبوقة للصوت عبر قوة دفعها الزاوي. يضيف دكتور وانغ: قد يفتح هذا الاكتشاف طريقاً لتطوير تطبيقات جديدة في الاتصالات الصوتية والاستشعار الصوتي والتصوير.
المرجع: "تفاعلات تدور حول الصوت المستعرض" بقلم شوبو وانغ، وجوانكينغ زانغ، وشولونغ وانغ، وكينغ تونغ، وجنسن لي، وجوانكونغ ما، 21 أكتوبر 2021،Nature Communications.
الدكتور وانغ هو المؤلف الأول والمؤلف المقابل للورقة. الدكتور جوانكونغ ما هو مؤلف آخر مماثل. ومن بين المتعاونين البروفيسور لي جنسن من جامعة هونغ كونغ للعلوم والتكنولوجيا، والسيدة تونغ تشينغ، طالبة الدكتوراه من CityU، وباحثون آخرون من جامعة هونغ كونغ.
تم دعم العمل من قبل مجلس المنح البحثية في هونغ كونغ والمؤسسة الوطنية للعلوم الطبيعية في الصين. بواسطة جامعة مدينة هونغ كونغ.
-----