Физици възпроизведоха ефекта от чуруликането на пирамидата Кукулкан

Архитектурната акустика възниква като отделна наука през XIX век. Към задачите ѝ се отнасят проектиране на сгради и помещения с определени акустични свойства. На първо място става дума за проектиране на концертни зали, театри и кина, но и задачите за шумоизолация на сгради също са от значение.

Древните архитекти са използвали законите на акустиката и по-рано, за да постигнат желани звукови ефекти. Често тяхната задача е била да засилят религиозното преживяване при посещение на места за поклонение, което било постигано чрез интересни резонансни ефекти. Например шептящите галерии на катедралата „Свети Павел“ в Лондон представляват пръстеновиден резонатор, в който звукова вълна интерферира сама със себе си, докато се разпространява по стените.

Друг пример за акустика в служба на култа е храмът Кукулкан, издигнат от древните маи преди хилядолетие. Храмът представлява пирамида с височина 24 метра и страни, равни на 55 метра. Пирамидата е оформена от девет квадратни тераси, като на всяка от стените има стръмни стълби с 91 стъпала. Сградата е увенчана с малък храм за жертвоприношения с височина шест метра.

Конструкцията на храма произвежда интересен ефект: ако пляскате с ръце близо до основата му, върнатото ехо ще наподобява чуруликането на птицата кетзал, свещена за маите (ефектът може да се чуе във видеото, приложено по-долу). Неговото количествено разбиране изисква познаване на законите за разпространение и наслагване на звукови вълни.

Двама колумбийски физици успели да възпроизведат чуруликането на пирамидата Кукулкан: Диего Фабиан Вискаино Аревало от университета „Антонио Нариньо“ и Олга Лусия Кастибланко Абрил от областния университет на Франсиско Хосе де Калдас. За да направят това, те използвали един от многото любителски видеоклипове на ефекта. Авторите цифровизирали звука от пляскането и го обработили по такъв начин, че да получат ефекта на отражение от всички стъпала. Спектърът на симулираното ехо представлявал честотен гребен, който присъства и в реалното ехо.

Необичайният феномен се дължи на множеството отражения на звука от стъпалата. Всяко следващо стъпало изпраща обратно същия, но леко забавен звуков сигнал. Според физиците това забавяне се равнява средно на две милисекунди. Ако оригиналният звук е бил "бял", т.е. съдържал е непрекъснат честотен спектър, тогава резултатът от наслагването на множество вълни, които се различават една от друга с малко фазово задържане, ще бъде честотен гребен, тоест сигнал, чийто спектър ще се състои от редуващи се спадове и пикове.

За да възпроизведат този ефект, авторите използвали аудиозапис от един от видеоклиповете в YouТube, в който мъж възпроизвежда ефекта на чуруликане.

С помощта на програмата Audacity учените изчислили закъснението между пляскането и ехото, което се оказало 115 милисекунди. Така физиците разбрали, че мъжът е застанал на разстояние 19,7 метра от основата на пирамидата. Те отчели това, когато моделирали времевите закъснения от всяко стъпало.

Diego Fabian Vizcaino Arevalo and Olga Lucia Castiblanco Abril / Physics Education, 2022

След това учените се убедили, че пляскането действително има непрекъснат спектър в диапазона от 2 до 15 килохерца. За симулиране на ехото те трябвало да насложат този сигнал 91 пъти, но поради ограниченията на програмата, която позволява само 30 наслагвания, процедурата трябвало да бъде разделена на части. Полученият спектър действително съдържал честотен гребен. Пиковете в него били отговорни за ефекта на чуруликане. Изследователите също построили спектъра на ехото, извлечен от видеото. Той бил по-шумен и по-тих, но от него също бил изолиран набор от няколко честоти, чиято амплитуда била над границата на чуваемостта.

Симулиран спектър на чуруликането на пирамидата, съдържащ честотен гребен. Diego Fabian Vizcaino Arevalo and Olga Lucia Castiblanco Abril / Physics Education, 2022

ОЩЕ: Маите използвали кремирани човешки останки, за да правят топки за ритуални игри

Изследваният от физиците ефект малко напомня ефекта на акустична дисперсия. Там също има наслагване на вълни, пристигащи с различно закъснение, само че те се различават по честоти. Акустичната дисперсия е отговорна за звука на бластера от филма „Междузвездни войни“.