محققان، "فراماده صوتی" را توسعه می‌دهند که صدا را خنثی می‌کند

7 مارس 2019 توسط کت J. Mcalpine، دانشگاه بوستون

 
توضیح تصویر: غفار ورداوه و ژانگ می‌گویند که فراماده‌ صوتیِ در حالی که به گونه‌ای ریاضی طراحی شده است، به صورت سه بعدی چاپ شده و آن گونه شکل گرفته‌ است که صداهای ورودی را به جایی که از آن آمده پس می‌فرستد. در داخل حلقه بیرونی، الگوی مارپیچ با صداها تداخل می‌کند، و آنها را از انتقال از طریق مرکز باز باز می‌دارد، در حالی که توانایی هوا را به جریان به درون حفظ می‌کند.
 
محققان دانشگاه بوستون، Xin Zhang، استاد دانشکده مهندسی، و غفار ورداوه، Ph.D. دانش آموز در گروه مهندسی مکانیک، مقاله‌ای را در F Physical Review B منتشر کردند که نشان می‌داد که این امکان وجود دارد که نویز را با استفاده از یک ساختار باز و حلقه‌ای که برای مشخصات ریاضی کامل ساخته شده است، برای خاموش کردن صداها در حین جریان هوا، خفه کرد. آنها ابعاد و مشخصات مورد نیاز فرا مواد را برای تداخل با امواج صوتی منتقل شده، و جلوگیری از صدا - اما نه هوا - از تابش پیدا کردن از طریق ساختار باز، محاسبه کردند. آنها می‌گویند فرضیه اساسی این است که فرا مواد باید به گونه‌ای شکل بگیرند که صداهای ورودی را به جایی که از آن آمدند پس بفرستند.
 
غفار ورداوه می‌گوید: "موانع صوتی امروز به معنای واقعی کلمه دیوارهای سنگین و ضخیم هستند." اگر چه موانع تخفیف دهنده نویز، که بافلهای صدا خوانده می‌شوند، می‌توانند به بیرون کشیده شدن از سر و صدای ساعات اوج ترافیک کمک کنند یا در بر دارنده سمفونی موزیک در دیوارهای هال کنسرت هستند، استفاده از آنها رویکردی زمخت است که به خوبی مناسب موقعیتهایی که جریان هوا اهمیتی اساسی دارد نیست. تصور کنید که دریچه خروجی موتور جت را مانع گذاری کنیم - هواپیما هرگز زمین را ترک نخواهد کرد. در عوض، کارگران در حال کارِ کندن آسفالت گوشی‌های محافظ از غرشهای کر کننده می‌پوشند تا شنوایی خود را از اتفاق ناخوشایند محافظت کنند.
 
غفار ورداوه و ژانگ اجازه دادند که ریاضیات - شور و شوق مشترکی که هر دو نفر در حرفه مهندسی خود آن را پرورش داده‌اند و به این خاطر با هم همکاری می‌کنند - آنها را به سمت یک طراحی کارآمد برای درک و استفاده از آنچه که فرا مواد آکوستیک هستند هدایت کند.
 
آنها ابعاد و مشخصات مورد نیاز فرا مواد را برای تداخل با امواج صوتی منتقل شده، و جلوگیری از صدا - اما نه هوا - از تابش پیدا کردن از طریق ساختار باز، محاسبه کردند. آنها می‌گویند فرضیه اساسی این است که فرا مواد باید به گونه‌ای شکل بگیرند که صداهای ورودی را به جایی که از آن آمدند پس بفرستند. با مقایسه سطوح صدا با و بدون فرا ماده در محل نصب شده، تیم متوجه شد که می تواند تقریبا تمام 94 درصد صدا را خاموش کند تا دقیقا عاری از نویز باشد، و نویزهای ناشی از بلندگو برای گوش انسان محسوس نباشد.

 
به عنوان یک مورد آزمون، آنها تصمیم به ایجاد یک ساختار گرفتند که بتواند صدای ناشی از یک بلندگو را ساکت کند. براساس محاسبات آنها، ابعاد فیزیکی را طوری مدل سازی کردند که به طور مؤثر موجب خاموش شدن صدا شود. برای به ارمغان آوردن این مدل‌ها به زندگی، آنها از چاپ سه بعدی برای ساختن یک ساختار باز پلاستیکی، که سر و صدا را خنثی می‌کند، استفاده کردند.
 
برای امتحان آن در آزمایشگاه، محققان بلندگو را به یک انتهای یک لوله PVC متصل کردند. در انتهای دیگر، فرا ماده‌ی آکوستیکی که با مهارت ساخته شده بود متصل شد. با ضربه زدن به دکمه بازی، تنظیم بلندگو آزمایشی حالت کاملاً آرام را در آزمایشکاه نشان داد. در حقیقت، با توجه به حس شنوایی که در اتاق دارید، هیچ وقت نمی‌فهمیدید که بلندگو در حال پخش یک آگهی پر نویز است. اگر، با این حال، به لوله پی وی سی نگاهی بیندازید، می‌بینید که ساب ووفرهای بلندگو در حال وزوز کردن هستند.
 
فرا مواد که در حال زنگ نواختن در اطراف محیط داخلی دهانه لوله بودند شبیه یک دکمه مجسم بی صدا عمل می‌کردند تا زمانی که غفار رسید و آن را آزاد کرد. در این لحظه آزمایشگاه به طور ناگهانی با صدای بلند گو به لرزش درآمد.
 
یعقوب نیکولایچیک که علاوه بر این که همکار نویسنده و پژوهشگر سابق کارشناسی در آزمایشگاه ژانگ است، عاشق اجرای آزمایش است می‌گوید: "لحظه‌ای که ما برای اولین بار صدا خفه کن را گذاشتیم و حذف کردیم ... به معنای واقعی کلمه مثل تفاوت شب و روز بود". "ما چندین ماه بود این نوع نتایج را در مدل سازی کامپیوتری خود می‌دیدیم، اما یک چیز برای دیدن مدل‌های فشار صدا بر روی کامپیوتر است و دیگری برای این است که خودتان آن را بشنوید". شکل فرا ماده‌های آکوستیک خاموش کننده نویز بر اساس روش استفاده آنها کاملا قابل تنظیم است.
 
با مقایسه سطوح صدا با و بدون فرا ماده در محل نصب شده، تیم متوجه شد که می تواند تقریبا تمام 94 درصد صدا را خاموش کند تا دقیقا عاری از نویز باشد، و نویزهای ناشی از بلندگو برای گوش انسان محسوس نباشد.
 
محققان در حال حاضر نمونه اولیه خود را تا حد زیادی اثربخش نشان داده‌اند و نشان داده‌اند که برخی از ایده‌های بزرگ در مورد چگونگی استفاده از مواد متمرکز آکوستیک و خاموش شدن نویز می‌تواند کار کند تا دنیای واقعی را آرام‌تر کند.
 
ژانگ می گوید "هواپیماهای بدون سرنشین یک موضوع بسیار داغ هستند." او می‌گوید، شرکت‌هایی مانند آمازون علاقه‌مند به استفاده از هواپیماهای بدون سرنشین برای تحویل کالا هستند و مردم در مورد سر و صدای بالقوه آنها شکایت دارند".
 
غفار می‌گوید: "مقصر، حرکت رو به بالای فن است." "اگر ما بتوانیم ساختارهای باز صدا خفه ن  را زیر فن‌های هواپیماهای بدون سرنشین بگذاریم، می‌توانیم صدای در حال تابش به سمت زمین را خنثی کنیم."

 
توضیح تصویر: محققان "فرا مواد صوتی" را تولید می‌کنند که صدا را خنثی می کند.
 
در نزدیکی خانه یا اداره فن‌ها و  سیستم‌های تهویه مطبوع می‌توانند از فرا مواد صوتی بهره برند که آنها را ساکت می‌سازد در عین این که اجازه گردش هوا را در سراسر ساختمان به طور گسترده می‌دهد.
 
غفار و ژانگ همچنین اشاره دارند به نازیبایی موانع صوتی که امروزه برای کاهش آلودگی صوتی از ترافیک و غیره استفاده می‌شود و فرصتی برای ارتقاء زیبایی شناسی در این امور می‌بینند. آنها می‌گویند: "ساختار ما فوق العاده سبک وزن، باز و زیبا است. هر قطعه می‌تواند به عنوان یک کاشی یا آجر به منظور ساخت یک دیوار نفوذ پذیذ صدا خفه کن استفاده شود."
 
غفار می‌گوید که همچنین شکل فرا ماده‌های آکوستیک خاموش کننده نویز بر اساس روش استفاده آنها کاملا قابل تنظیم است. قسمت بیرونی نیازی به داشتن یک شکل حلقه‌ای دور به این منظور که بتواند کار کند ندارد.
 
او می‌گوید: "ما می‌توانیم شکل بیرونی را به صورت یک مکعب یا شش ضلعی طراحی کنیم." "هنگامی که ما می‌خواهیم یک دیوار ایجاد کنیم، ما به طرف شکل شش ضلعی می‌رویم" که می‌تواند مانند یک ساختار لانه زنبوری در فضای باز به هم متصل شود.
 
بر گرفته از سایت فیز اُرگ
 

مترجم: علی رضایی میر قائد