فیزیک‌دانان سیاه‌چاله‌ای ساختند که صدا را می‌بلعد
پژوهشگران با الهام از سیاه‌چاله‌های کیهانی، ساختاری آکوستیکی ساخته‌اند که می‌تواند بازتاب صدا را به میزان قابل‌توجهی کاهش دهد. این ابزار که «سیاه‌چاله صوتی» نام دارد، با استفاده از فناوری چاپ سه‌بعدی ساخته می‌شود و برخلاف نمونه‌های پیشین، می‌توان آن را مستقیماً داخل لوله‌ها و کانال‌های موجود نصب کرد.
به گزارش سیناپرس، صدا در محیط اطراف ما پیوسته در حال انتشار است؛ از صدای دستگاه‌های تهویه و سامانه‌های صنعتی گرفته تا جریان آب در لوله‌های ساختمان. امواج صوتی هنگام برخورد با موانع، تغییر شکل مسیر یا انتهای بسته لوله، بازتاب پیدا می‌کنند و پژواک به وجود می‌آورند. این بازتاب‌ها در برخی محیط‌ها، از استودیوهای ضبط صدا گرفته تا کانال‌های تهویه و سامانه‌های صنعتی، می‌توانند به مشکلی جدی تبدیل شوند.
اکنون گروهی از پژوهشگران راهکاری تازه برای مقابله با این مشکل ارائه کرده‌اند: ساختاری که به‌جای بازگرداندن امواج صوتی، انرژی آن‌ها را به‌تدریج کاهش می‌دهد و در عمل بخش زیادی از صدا را جذب می‌کند.
این فناوری «سیاه‌چاله صوتی» نام دارد؛ ساختاری که ایده اصلی آن از یکی از ویژگی‌های شناخته‌شده سیاه‌چاله‌های کیهانی الهام گرفته شده است، اما به‌جای نور، با امواج صوتی سروکار دارد.
سیاه‌چاله‌ای که پژواک را از بین می‌برد
سیاه‌چاله‌های کیهانی به دلیل گرانش بسیار قدرتمند خود شناخته می‌شوند؛ گرانشی که حتی اجازه خروج نور را از محدوده مشخصی در اطراف آن‌ها نمی‌دهد. دانشمندان برای بررسی برخی ویژگی‌های این اجرام، نمونه‌های آزمایشگاهی طراحی کرده‌اند که رفتارهای خاص سیاه‌چاله‌ها را با استفاده از پدیده‌های فیزیکی دیگر بازسازی می‌کنند.
اما سیاه‌چاله صوتی جدید، قرار نیست گرانش سیاه‌چاله‌های واقعی را شبیه‌سازی کند. این ساختار با بهره‌گیری از ویژگی‌های انتشار امواج صوتی، سرعت پیشروی موج را به‌تدریج کاهش می‌دهد و انرژی آن را در بخش‌های داخلی خود متمرکز می‌کند.
اوریول گوآش، مهندس آکوستیک در دانشگاه لاسال رامون یوی اسپانیا، در گفت‌وگو با ساینس‌الر توضیح داده است که اگر فردی مقابل لوله‌ای بسته بایستد و درون آن فریاد بزند، پس از مدت کوتاهی صدای پژواک را خواهد شنید؛ اما اگر انتهای لوله به سیاه‌چاله صوتی مجهز باشد، پژواک به‌شدت کاهش می‌یابد و از نظر آکوستیکی، لوله تقریباً مانند مسیری بی‌انتها رفتار می‌کند.
به گفته این پژوهشگر، در حالت ایدئال، موج صوتی پس از ورود به سیاه‌چاله صوتی دیگر به بیرون بازنمی‌گردد.
طراحی تازه؛ ابزاری قابل نصب در لوله‌های موجود
یکی از محدودیت‌های طرح‌های پیشین این بود که حلقه‌ها و حفره‌های موردنیاز برای کاهش سرعت امواج صوتی باید در دیواره داخلی لوله ساخته می‌شدند. به همین دلیل، استفاده از این فناوری در سامانه‌های موجود به تغییر ساختار لوله‌ها نیاز داشت و نصب آن دشوار بود.
پژوهشگران برای رفع این محدودیت، طراحی متفاوتی ارائه کردند که در آن، حلقه‌ها به‌جای قرار گرفتن در دیواره لوله، روی یک میله مرکزی نصب می‌شوند. قطر این حلقه‌ها در طول میله به‌تدریج تغییر می‌کند و فضای میان آن‌ها حفره‌هایی به وجود می‌آورد که بر نحوه انتشار امواج صوتی اثر می‌گذارند.
این ساختار را می‌توان به درختی مخروطی‌شکل تشبیه کرد که حلقه‌های آن در امتداد یک محور مرکزی قرار گرفته‌اند. هنگامی که صدا وارد این مجموعه می‌شود، سرعت انتشار آن کاهش می‌یابد و طول موج نیز به‌تدریج کوتاه‌تر می‌شود. در همین فرایند، انرژی صوتی در بخش‌های انتهایی ساختار متمرکز می‌شود. بخش مهمی از این انرژی از طریق اصطکاک و تبادل گرما میان هوا و سطوح دستگاه مستهلک می‌شود؛ در نتیجه، انرژی کمتری برای بازتاب به محیط باقی می‌ماند.
مزیت مهم این طراحی آن است که سیاه‌چاله صوتی را می‌توان مستقل از لوله تولید کرد و سپس به‌عنوان قطعه‌ای جداگانه درون آن قرار داد.
آزمایش با نمونه چاپ سه‌بعدی
تیم پژوهشی برای ارزیابی عملکرد این فناوری، نمونه‌ای به طول ۱۵ سانتی‌متر ساخت که از ۲۹ حلقه متصل به یک میله مرکزی تشکیل شده بود. این نمونه با فناوری چاپ سه‌بعدی تولید و داخل لوله‌ای آزمایشگاهی قرار گرفت که برای اندازه‌گیری رفتار امواج صوتی در برخورد با مواد و ساختارهای مختلف استفاده می‌شود.
پژوهشگران با استفاده از بلندگو، امواج صوتی را در فرکانس‌های مختلف به داخل لوله فرستادند و با کمک میکروفون‌ها میزان صدای بازتاب‌شده را اندازه‌گیری کردند.
نتایج آزمایش نشان داد میزان بازتاب صدا از این ساختار، به‌طور کلی با پیش‌بینی‌های شبیه‌سازی رایانه‌ای مطابقت دارد. البته این دستگاه هنوز نمی‌تواند تمام بازتاب‌های صوتی را از بین ببرد؛ بنابراین، عملکرد آن را باید کاهش قابل‌توجه پژواک دانست، نه حذف کامل صدا.
پژوهشگران همچنین عملکرد طرح جدید را با نمونه‌های متعارف سیاه‌چاله صوتی مقایسه کردند. نتایج شبیه‌سازی‌ها نشان داد طراحی تازه، علاوه بر نصب آسان‌تر، می‌تواند در محدوده گسترده‌تری از فرکانس‌های صوتی مؤثر باشد و در بخش بزرگی از این محدوده، بازتاب کمتری ایجاد کند.
دلیل این تفاوت به نحوه تشدید صوتی حفره‌های میان حلقه‌ها مربوط است. این حفره‌ها در فرکانس‌های مشخصی تشدید می‌شوند و بر میزان جذب صدا اثر می‌گذارند. در طراحی جدید، این تشدیدها در فرکانس‌های بالاتری رخ می‌دهند و در نتیجه، عملکرد سیاه‌چاله صوتی در محدوده فرکانسی گسترده‌تری حفظ می‌شود.
از کانال‌های صنعتی تا آکوستیک ساختمان
یکی از کاربردهای اولیه این فناوری، کاهش نویز در کانال‌های تهویه، سامانه‌های انتقال هوا و صداخفه‌کن‌های صنعتی است؛ محیط‌هایی که بازتاب امواج صوتی می‌تواند به افزایش آلودگی صوتی یا اختلال در عملکرد سامانه‌ها منجر شود.
بااین‌حال، پژوهشگران به کاربردهای دیگری نیز فکر می‌کنند. آن‌ها در حال بررسی امکان توسعه سیاه‌چاله‌های صوتی در ساختارهای دوبعدی و سه‌بعدی هستند؛ رویکردی که می‌تواند در آینده به کنترل بهتر بازتاب صدا در فضاهای داخلی و بهبود آکوستیک اتاق‌ها کمک کند.
البته پیش از استفاده گسترده از این فناوری، باید چند چالش فنی برطرف شود. تجمع ذرات و مسدود شدن حفره‌های کوچک، تغییرات دما و فشار و همچنین جریان هوا می‌توانند بر عملکرد دستگاه اثر بگذارند. بنابراین، ارزیابی کارایی این ساختار در شرایط واقعی، گام مهم بعدی برای توسعه کاربردهای عملی آن خواهد بود.
گوآش در این‌باره معتقد است یکی از جذاب‌ترین جنبه‌های این پژوهش، ترکیب حوزه‌های مختلف دانش و امکان کنترل امواج به شیوه‌هایی است که تا چند سال پیش ممکن بود بیشتر به داستان‌های علمی‌تخیلی شباهت داشته باشد.
نتایج این پژوهش در نشریه علمی Applied Acoustics منتشر شده است.
مترجم:امیر بابایی
