Команде инженеров впервые удалось точно определить источник звука, производимого хлопающими крыльями летающего животного. Гудение колибри возникает из-за разницы давлений между верхней и нижней сторонами крыльев, которая изменяется как по величине, так и по ориентации, когда крылья взмахивают взад и вперед. Эти перепады давления над крылом важны, потому что они создают суммарную аэродинамическую силу, которая позволяет птице колибри взлетать и зависать.

В отличие от других видов птиц, крыло колибри создает сильную восходящую аэродинамическую силу как во время движения крыла вниз, так и вверх, то есть дважды за взмах крыла. Принимая во внимание, что вносят свой вклад как перепады давления, обусловленные подъемной силой, так и силой лобового сопротивления, действующей на крыло, оказывается, что перепад давления при подъеме вверх является основным источником шума.

Разница между нытьем, гудением, жужжанием и свистом

Профессор Дэвид Лентинк из Стэнфордского университета: "Именно по этой причине птицы и насекомые издают разные звуки. Скулят комары, жужжат пчелы, жужжат колибри, а более крупные птицы "вжух". Большинство птиц относительно тихи, потому что они создают большую часть подъемной силы только один раз во время взмаха крыльев при спуске. Колибри и насекомые более шумные, потому что они делают это дважды за взмах крыльев".

Исследователи объединили все измерения в 3D-акустическую модель крыльев птиц и насекомых. Модель не только дает биологическое представление о том, как животные генерируют звук своими хлопающими крыльями, она также предсказывает, как аэродинамические характеристики хлопающего 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 прекрасно настроенный инструмент", - объясняет Лентинк с улыбкой.

Высокотехнологичная звуковая камера

Чтобы прийти к своей модели, ученые исследовали шесть колибри Анны, наиболее распространенных видов в окрестностях Стэнфорда. Одну за другой они заставляли птиц пить сахарную воду из искусственного цветка в специальной летной камере. Вокруг камеры, невидимой для птицы, были установлены камеры, микрофоны и датчики давления, чтобы точно записывать каждое движение крыльев во время зависания перед цветком.

Вы не можете просто пойти и купить необходимое для этого оборудование в магазине электроники. Генеральный директор и исследователь Рик Шолте из Sorama, дочернего предприятия TU Eindhoven: "Чтобы сделать звук видимым и иметь возможность изучить его в деталях, мы использовали сложные звуковые камеры, разработанные моей компанией. Для этой цели оптические камеры подключены к сети из 2176 микрофонов. Вместе они работают немного как тепловизионная камера, которая позволяет показывать тепловизионное изображение. Мы делаем звук видимым на "тепловой карте", которая позволяет нам видеть 3D звуковое поле в деталях".

Новые датчики аэродинамической силы

Чтобы интерпретировать 3D-звуковые изображения, важно знать, какое движение совершает крыло птицы в каждой точке измерения звука. Для этого в дело вступили двенадцать высокоскоростных камер Стэнфорда, которые кадр за кадром фиксировали точное движение крыла.

Лентинк: "Но это еще не конец истории. Нам также нужно было измерить аэродинамические силы, создаваемые крыльями колибри в полете. Для этого нам пришлось разработать новый прибор". Во время последующего эксперимента шести высокочувствительным прижимным пластинам, наконец, удалось впервые зафиксировать подъемную силу и сопротивление, создаваемые крыльями при их движении вверх и вниз.

Затем терабайты данных должны были быть синхронизированы. Исследователи хотели точно знать, какое положение крыла издает тот или иной звук и как это связано с перепадами давления. Шолте: "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 внести коррективы в это.

Алгоритм как составитель

Как только местоположение крыла, соответствующий звук и перепады давления были точно выровнены для каждого видеокадра, исследователи столкнулись со сложностью интерпретации данных большого объема. Исследователи решили эту проблему, используя искусственный интеллект, исследование аспиранта TU / e и соавтора Патрик Вайнингс.

Вейнингс: "Мы разработали для этого алгоритм, который может интерпретировать 3D 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 художник по составлению портрета полицейского: используя несколько подсказок, он создает наиболее достоверный портрет подозреваемого. Таким образом, вы избегаете возможности того, что небольшое искажение в измерениях изменит результат."

Исследователям наконец удалось свести все эти результаты в простую 3D-акустическую модель, заимствованную из мира самолетов и математически адаптированную к взмаху крыльев. Он предсказывает звук, который издают хлопающие крылья, не только жужжание колибри, но и свист других птиц и летучих мышей, жужжание и скулеж насекомых и даже шум, который производят роботы с хлопающими крыльями.

Делаем дроны тише

Хотя это не было предметом данного исследования, полученные знания также могут помочь улучшить роторы самолетов и беспилотных летательных аппаратов, а также вентиляторы ноутбуков и пылесосов. Новые идеи и инструменты могут помочь сделать инженерные устройства, генерирующие сложные силы, как это делают животные, более тихими.

Это именно то, к чему стремится Sorama: "Мы делаем звук видимым, чтобы сделать бытовую технику тише. Шумовое загрязнение становится все более серьезной проблемой. И один только децибелометр этого не решит. Вам нужно знать, откуда исходит звук и как он создается, чтобы иметь возможность устранить его. Вот для чего предназначены наши звуковые камеры. Это исследование крыла колибри дает нам совершенно новую и очень точную модель в качестве отправной точки, так что мы можем выполнять нашу работу еще лучше", - заключает Шолте.

Это исследование опубликовано 16 марта в журнале эЛайф, под названием "Как колеблющиеся аэродинамические силы объясняют тембр гудения Колибри и других животных в машущем полете". Экспериментальная и аналитическая работа этого исследования была проведена аспирантом Патриком Вайнингсом из Эйндховенского университета под руководством Рика Шолте из Sorama и Сандера Стуйка и Хенка Корпораала из TU/e, а также аспирантом Беном Хайтауэром из Стэнфорда под руководством Дэвида Лентинка из Стэнфордского университета при содействии четырех соавторов.авторы из Лаборатории Лентинка: Риверс Ингерсолл, Диана Чин, Джейд Нгуен и Дэниел Шорр. Это исследование было профинансировано NWO Perspectief program ZERO и Национальным научным фондом CAREER AWARD (NSF).