Динамическая акустика хлопка: как форма руки влияет на звук

В сцене ближе к концу фильма 2006 года «Люди Икс: Последняя битва» персонаж хлопает в ладоши и посылает ударную волну, которая сбивает с ног армию противника. Санни Юнг, профессор биологической и экологической инженерии в Колледже сельского хозяйства и естественных наук, был заинтригован. «Мне стало интересно, как распространяется волна, когда мы хлопаем в ладоши», — сказал Юнг.

Юнг — старший автор исследования, опубликованного в Physical Review Research, в котором рассматриваются сложные физические механизмы и гидродинамика, задействованные в хлопке в ладоши, с потенциальным применением в биоакустике и идентификации личности, где хлопок в ладоши может быть использован для идентификации человека.

«Хлопанье в ладоши — это повседневная человеческая деятельность и форма общения», — сказал Юнг. «Мы используем это в религиозных ритуалах или для выражения признательности: чтобы резонировать и возбуждаться. Мы хотели исследовать, как мы генерируем звук в зависимости от того, как мы хлопаем в ладоши».

Исследователи использовали высокоскоростные камеры для отслеживания движения рук, потока воздуха и звука хлопков 10 добровольцев, измеряя различные частоты при изменении размера и формы полости между руками: при хлопке сложенными чашечкой руками, плоскими руками или пальцами к ладони. Они обнаружили, что чем больше полость между ладонями, тем ниже частота хлопка, при этом руки действуют как резонатор — посредством чего звук исходит от силы воздуха через полость руки и отверстие между большим и указательным пальцами.

«Воздушный столб, выталкиваемый струей воздуха, выходящей из полости руки, вызывает возмущение воздуха, и это тот звук, который мы слышим», — сказал первый автор Ицун Фу, докторант в области машиностроения.

Исследователи сравнили данные, полученные с помощью человека, с данными, полученными с помощью упрощенных моделей, а также с теоретическими прогнозами того, как воздух будет проходить через традиционный резонатор, называемый резонатором Гельмгольца.

«Мы подтвердили экспериментально и вычислительно, что резонатор Гельмгольца может предсказать частоту хлопка человеческой руки», — сказал Фу. «Это подтверждение этого объединяющего принципа, который может быть полезен в других областях, особенно в биоакустике, поскольку этот принцип может помочь объяснить все виды биоакустических явлений, особенно те, которые связаны со столкновением мягких материалов и струйным течением».

«Это также фундаментальный принцип музыкального инструмента, — сказал Юнг, — в зависимости от размера полости и длины отверстия грифа вы создаете разный звук — мы показали, что это применимо и к хлопкам в ладоши».

Кроме того, исследователи изучили, почему хлопки такие короткие по сравнению со звуком, издаваемым через традиционный резонатор, и обнаружили, что определенную роль играет мягкость рук: мягкие ткани рук вибрируют после удара, поглощая энергию и заглушая звук.

«Когда в материале больше вибрации, звук затухает гораздо быстрее», — сказал Фу. «Поэтому, если вы хотите привлечь внимание другого человека, находящегося очень далеко от вас, и хотите, чтобы звук длился дольше, вам, возможно, стоит выбрать определенную форму хлопка, которая сделает вашу руку более жесткой».

Исследование также открывает двери идее использования хлопка в ладоши в качестве личного идентификатора или подписи; другой ученик Юнга проверяет, можно ли использовать хлопок в ладоши, например, для подсчета посещаемости на занятиях.

«Хлопок в ладоши на самом деле очень характерная вещь, потому что у нас разные размеры рук, техники, разная текстура кожи и мягкость — все это приводит к разным звуковым характеристикам», — сказал Фу. «Теперь, когда мы понимаем физику этого, мы можем использовать звук для идентификации человека».

Предыдущие исследования изучали либо упрощенную теоретическую механику хлопка, либо статистический анализ с использованием людей, но связь между ними новая. С экспериментальной установкой, которая оценивала звук и поток воздуха; размер, форму и текстуру руки; и силу, скорость и давление хлопка, исследователи смогли захватить несколько переменных, которые включали материаловедение, механику жидкости и акустику.

«Это самое тщательное исследование по этой теме», — сказал Фу. «То, как мы его организовали, помогло визуализировать явления, и поскольку оно настолько всеобъемлющее, мы можем извлечь из него больше знаний».

Для Юнга исследование также удовлетворяет любопытство. «Это началось с желания понять то, что я видел и что мы делаем каждый день», — сказал он. «Когда я вижу что-то, я пытаюсь задаться вопросом, почему это происходит».

Контакты, администрация и авторы