به گزارش انجمن خرد آورده شده از ایسنا؛، مهار کردن صوت می تواند کاری بسیار دشوار و چالش برانگیز باشد. صدا، پیرامون ما را پر می کند، از منابع بی شمار خود بیرون می جهد و با برخورد به سطوح، به شکل پژواک بازمی گردد. همین ویژگی، بسته به مکان و نحوه طنین انداز شدن صدا، آن را هم بسیار سودمند و هم به شدت دردسرساز می کند.
موقعیت هایی وجود دارد که در آنها پژواک می تواند مشکل ساز شود. بارزترین نمونه، استودیوهای ضبط صدا است؛ اما یکی از حوزه های اصلی بروز این مشکل، شاید کمتر به چشم بیاید، چرا که بسیار فراگیرتر است و آن لوله ها هستند.
سیستم های تهویه، تهویه مطبوع، خروجی های صنعتی و حتی لوله کشی های آب را در نظر بگیرید. صدا در فضای درون این لوله ها و کانال ها حرکت می کند و هنگامی که با مانعی، تغییری در شکل یا انتهای مسدودِ مسیر مواجه می شود، ممکن است به شدت شروع به پیچیدن و ایجاد سروصدا کند.
اکنون دانشمندان دستگاه کوچک و هوشمندانه ای را ابداع کرده اند که می تواند با «بلعیدن» مؤثر صدا، این بازتاب ها را به شدت کاهش دهد.
این دستگاه «سیاه چاله صوتی» نام دارد و طراحی جدید آن به گونه ای است که می توان آن را با چاپگر سه بعدی ساخت و مستقیماً درون لوله های موجود نصب کرد. این پیشرفتی بزرگ نسبت به طرح های مرسوم محسوب می شود که در آنها سیاه چاله باید از همان ابتدا در ساختار خودِ لوله تعبیه می شد.
اوریول گواش(Oriol Guasch)، مهندس صوت شناسی(آکوستیک) از دانشگاه «لا سال»(La Salle) وابسته به دانشگاه «رامون لول» (Ramon Llull) در اسپانیا می گوید: تصور کنید مقابل کانالی ایستاده اید که انتهای آن مسدود است و درون آن فریاد می زنید. پس از وقفه ای کوتاه که به طول کانال بستگی دارد، پژواکی را می شنوید که از انتهای مسیر بازمی گردد.
وی افزود: اگر انتهای کانال به یک سیاه چاله صوتی مجهز شده باشد، عملاً هیچ پژواکی نخواهید شنید. از نظر آکوستیکی، وضعیت تقریباً به گونه ای خواهد بود که گویی لوله طول بی نهایتی دارد و هیچ انتهایی وجود ندارد که صدا بتواند از آنجا به سمت شما انعکاس یابد.
سیاه چاله ها بیش از هر چیز به عنوان اجرام اخترفیزیکی شناخته می شوند که نواحی بسیار چگال در فضا هستند که گرانش آنها، فضا-زمانِ پیرامونشان را چنان خمیده می کند که افقی کروی شکل می گیرد و حتی نور نیز نمی تواند از آن بگریزد.
دلایل بسیاری وجود دارد که چرا نمی توانیم این اجرام را از نزدیک مطالعه کنیم. از این رو، فیزیک دانان روش های دیگری ابداع کرده اند و نمونه های آزمایشگاهی مشابهی ساخته اند که جنبه هایی از رفتار سیاه چاله ها را بازسازی می کنند؛ روش هایی که گاهی بر پدیده هایی متکی هستند که ارتباط چندانی با گرانش ندارند.
سیاه چاله ای که توسط «گواش» و همکارانش طراحی شده و در مقاله ای به نویسندگی اصلی «جی دنگ»(Jie Deng)، مهندس دانشگاه «لا سال» در دانشگاه «رامون لول» توصیف شده است، ماهیتی متفاوت دارد و از قابلیت های عملکردی سیاه چاله ها الهام گرفته است.
این طرح به جای استفاده از صوت برای شبیه سازی فیزیک گرانش، از ویژگی غیرمعمولی در امواج صوتی بهره می برد. تحت شرایط خاص، سرعت این امواج به تدریج کاهش می یابد تا جایی که عملاً هرگز به پایان مسیر خود نمی رسند.
این وضعیت تا حدی شبیه به «پارادوکس دوگانگی» یا «پارادوکس تقسیم ناپذیری» زنون، فیلسوف یونان باستان است؛ پارادوکسی که در آن مسافر باید ابتدا نیمی از مسافت باقی مانده تا مقصد را طی کند، سپس نصفِ آن مقدارِ باقی مانده را و به همین ترتیب ادامه دهد، به گونه ای که گویی هرگز به مقصد نمی رسد.
تفاوت در اینجاست که در یک سیاه چاله صوتی، موج در حین حرکت واقعاً کند می شود.
گواش توضیح می دهد: آنچه برای موج هنگام نزدیک شدن به انتهای سیاه چاله صوتی رخ می دهد، شباهت خاصی به مشاهدات ناظر بیرونی در نزدیکی یک سیاه چاله اخترفیزیکی دارد. به نظر می رسد که موج برای رسیدن به نقطه نهایی، به زمانی بی نهایت نیاز دارد.
وی افزود: در حالت ایده آل، وقتی موج وارد سیاه چاله صوتی می شود، دیگر از آن خارج نمی شود.
راز این ناپدید شدن صوتی در طراحی آن نهفته است. همان طور که سیاه چاله اخترفیزیکی در واقع یک «حفره» یا سوراخ نیست، نمونه صوتی آن نیز چنین نیست؛ بلکه ساختاری است که با مهندسی دقیق طراحی شده و نحوه حرکت صوت در لوله را تغییر می دهد.
در طراحی های مرسوم، مجموعه ای از حلقه ها و حفره ها در دیواره داخلی لوله تعبیه می شوند که به گونه ای چیده شده اند تا سرعت امواج صوتی هنگام عبور از لوله، به تدریج کاهش یابد. در این فرآیند، طول موج ها کوتاه تر و انرژی آنها به طور فزاینده ای متمرکز می شود.
البته یک چالش وجود دارد؛ این ساختارها باید درون خودِ لوله ها تعبیه شوند و معمولاً به صورت یکپارچه ساخته می شوند. از این رو، نصب آنها در سیستم های موجود دشوار است. همچنین اثر سیاه چاله ای تنها در محدوده خاصی از فرکانس های صوتی عمل می کند.
«دنگ»، «گواش» و همکارانشان به این فکر افتادند که آیا می توانند با وارونه کردن کل ساختار، یعنی ایجاد یک «درخت کریسمس صوتی» به جای یک قیف، هر دو مشکل را حل کنند یا خیر.
گواش می گوید: این مفهوم به طرز شگفت آوری ساده است و عملکرد بسیار خوبی دارد. از دیدگاه عملی، می توان این سیاه چاله صوتی را به صورت مستقل از مجرا ساخت و سپس به سادگی آن را درون مجرا قرار داد.
طرح این گروه شامل مجموعه ای از حلقه ها است که روی یک میله مرکزی سوار شده اند و قطر آنها در طول میله به تدریج تغییر می کند. فضای خالی میان این حلقه ها، حفره هایی ایجاد می کند که نحوه انتشار صوت در لوله را تحت تأثیر قرار می دهند.
هنگامی که امواج صوتی از قسمت نوک وارد این سازه می شوند، سرعتشان کاهش می یابد و همزمان با متمرکز شدن انرژی به سمت انتهای دیگر، طول موج آنها نیز به تدریج کوتاه تر می شود.
اینجا است که آن ترفندِ «ناپدید شدن» رخ می دهد. بخش عمده ای از انرژی صوتی متمرکز، به جای اینکه صرفاً بازتاب یابد، بر اثر اصطکاک و تبادل حرارت میان هوا و سطوح دستگاه هدر می رود و در نتیجه، مقدار بسیار کمتری از آن به صورت پژواک باقی می ماند.
پژوهشگران این طرح را با استفاده از یک نمونه اولیه چاپ شده سه بعدی آزمایش کردند که سازه ای به طول ۱۵ سانتی متر متشکل از ۲۹ حلقه است که روی یک میله مرکزی سوار شده و سپس درون یک «لوله امپدانس» قرار گرفته است. لوله امپدانس ابزاری آزمایشگاهی است که برای سنجش رفتار امواج صوتی هنگام برخورد با یک ماده یا سازه به کار می رود.
سپس آنها درون لوله فریاد زدند، البته نه واقعاً؛ بلکه از یک بلندگو برای ارسال امواج صوتی با فرکانس های مختلف به داخل لوله و از میکروفون هایی برای اندازه گیری میزان بازتاب صدا استفاده کردند.
نتایج بسیار امیدوارکننده بود. میزان صدای بازتاب یافته از «سیاه چاله صوتی» تا حد زیادی با شبیه سازی های رایانه ای تیم مطابقت داشت؛ هرچند باید توجه داشت که این روش، پژواک را به طور کامل از بین نمی برد.
پژوهشگران همچنین با استفاده از شبیه سازی های رایانه ای، طرح جدید (ماژولار/قابل نصب) خود را با یک سیاه چاله صوتی مرسوم مقایسه کردند.
این بررسی ها نشان داد که هندسه جدید می تواند مزایایی فراتر از قابلیت ماژولار بودن و سهولت نصب داشته باشد.
گواش توضیح داد: مزیت مهم دیگر این است که دامنه فرکانسی که در آن دستگاه مانند یک سیاه چاله صوتی عمل می کند، به مراتب وسیع تر از نمونه های مرسوم است.
شبیه سازی ها همچنین نشان دادند که طرح جدید در طیف وسیعی از فرکانس ها، نسبت به نمونه مرسوم، صدای کمتری بازتاب می دهد. دلیل این امر آن است که حفره های میان حلقه ها در سیاه چاله صوتی در فرکانس های صوتی خاصی دچار تشدید (رزونانس) می شوند و نحوه جذب صدا توسط دستگاه را تغییر می دهند.
پژوهشگران دریافتند که در طرح جدید، این تشدیدها در فرکانس های بالاتری رخ می دهند و به اثر سیاه چاله اجازه می دهند تا در دامنه ای وسیع تر به عملکرد خود ادامه دهد.
بدیهی است که فوری ترین کاربردهای این فناوری در زمینه کنترل سروصدا، به ویژه در کانال ها و صداخفه کن هایی است که بازتاب صدا می تواند در آنها مشکل ساز شود.
پژوهشگران اکنون فراتر از لوله ها را مد نظر دارند و در حال بررسی این موضوع هستند که آیا می توان سیاه چاله های صوتی را در ابعاد دوبعدی و سه بعدی نیز توسعه داد تا در آکوستیک اتاق ها کاربرد داشته باشند.
هنوز چالش هایی وجود دارد که باید پیش از به کارگیری عملی این «درخت های کریسمس کوچکِ صداخوار» برطرف شوند. محیط های مختلف مشکلات متفاوتی را از ذراتی که می توانند حفره ها را مسدود کنند گرفته تا اثرات دما، فشار و جریان هوا به همراه دارند.
گواش از امکان دستکاری صدا به روش هایی که زمانی تقریباً غیرممکن به نظر می رسیدند، هیجان زده است. وی می گوید: شخصاً چیزی که من بیشتر از همه هیجان انگیز می دانم، فیزیک و ریاضیات پشت همه این ها و نحوه گرد هم آوردن حوزه های دانشی است که در ابتدا ممکن است کاملاً نامرتبط به نظر برسند.
وی افزود: البته همچنین، نوع کنترل موجی که اکنون می توان به آن دست یافت، احتمالاً چند سال پیش تقریباً شبیه داستان های علمی-تخیلی به نظر می رسید.
این پژوهش در مجله Applied Acoustics منتشر شده است.
