العالم أصبح صاخبًا بشكل متزايد. من صوت حركة المرور خارج نافذتك، إلى تلفزيون الجيران، إلى الضوضاء الصادرة من غرفة زميل العمل، تعد الضوضاء غير المرغوب فيها مشكلة.
سواء أكان إنشاء موجات صوتية عن عمد أو محاولة تخفيف الضوضاء غير المرغوب فيها، فإن التحكم في الضوضاء يعد جزءًا من التحدي والفرصة.
يتضمن تقليل الضوضاء النشط كميات صغيرة من كتم الصوت، وقد أصبح جزءًا مهمًا من تطبيق سماعات الرأس وسماعات الأذن، حيث لا يلزم سوى منطقة هادئة صغيرة بالقرب من طبلة الأذن. يتم تحقيق كتم الصوت على نطاق واسع من خلال أساليب سلبية مثل التواجد في غرفة، أو عكس الصوت باستخدام مواد ذات مقاومة صوتية عالية، أو امتصاص الصوت.
هل يمكن للنسيج الأكثر سمكًا من شعر الإنسان أن يخفف الضوضاء؟ يدعي الباحثون في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (MIT) أنهم حققوا هذا الإنجاز المذهل. قام تعاون متعدد التخصصات بين باحثين من المعهد المرموق وزملائهم في جامعات أمريكية كبرى أخرى بتطوير نسيج حريري يمتص الصوت يمكن استخدامه لإنشاء مساحات هادئة.
السر في الألياف
يحتوي القماش على ألياف خاصة تهتز عند تطبيق الجهد الكهربائي. وقد خفف الباحثون تلك الاهتزازات بطريقتين مختلفتين. لسبب واحد، يخلق النسيج المهتز موجات صوتية تحجب الضوضاء غير المرغوب فيها، على غرار سماعات الرأس التي تعمل على إلغاء الضوضاء والتي تعمل بشكل جيد في مساحة صغيرة مثل أذنيك ولكنها لا تعمل في حاويات كبيرة مثل الغرف أو الطائرات.
تقنية أخرى أكثر إثارة للدهشة تتضمن تثبيت القماش لتخفيف الاهتزازات التي تعتبر أساسية لنقل الصوت. وهذا يمنع الضوضاء من الانتقال عبر القماش ويكتم الصوت خارجًا. يسمح هذا الأسلوب الثاني بتقليل الضوضاء في المساحات الكبيرة جدًا مثل الغرف أو السيارات.
وباستخدام مواد شائعة مثل الحرير والقماش والشاش، ابتكر الباحثون أقمشة ممتصة للضوضاء وعملية للتنفيذ في مساحات العالم الحقيقي. على سبيل المثال، يمكن للمرء استخدام هذا القماش لإنشاء فواصل في مساحات العمل المفتوحة أو جدران قماشية رقيقة تمنع اختراق الصوت.
وقال يويل فينك: “إن خلق الضوضاء أسهل بكثير من الصمت. في الواقع، نحن نخصص مساحة كبيرة للجدران السميكة لإبعاد الضوضاء”. “نحن نقدم طريقة جديدة لإنشاء مساحات هادئة بنسيج رقيق”. ، أستاذ علوم وهندسة المواد وكبير مؤلفي الدراسة.
الدكتورة غريس (نويل) يانغ، المؤلفة الرئيسية للدراسة، وفريقها يضم طلاب الدراسات العليا في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا وأستاذ الهندسة الكيميائية زاكاري سميث؛ طلاب الدراسات العليا في جامعة كيس ويسترن في كليفلاند، أوهايو؛ والبروفيسور سو ما من جامعة ويسكونسن في ماديسون؛ وطالب دراسات عليا في مدرسة رود آيلاند للتصميم.
وقد ظهرت دراستهم الآن في المجلة مواد متطورة “انبعاث الصوت وتوهين الصوت النشط للأقمشة المنسوجة من الحرير والقطن ذات الطبقة الواحدة”.
وفي بحث سابق، قاموا بخياطة خيط واحد من الألياف الكهرضغطية التي تولد إشارة كهربائية عند الضغط عليها أو ثنيها في القماش. عندما تهتز الضوضاء القريبة النسيج، تقوم الألياف الكهرضغطية بتحويل تلك الاهتزازات إلى إشارة كهربائية يمكنها التقاط الصوت.
وفي دراستهم الجديدة، قلب الباحثون الفكرة لإنشاء مكبر صوت من القماش يمكن استخدامه لإلغاء الموجات الصوتية. يؤدي تطبيق إشارة كهربائية على الألياف الكهرضغطية إلى اهتزازها، مما ينتج عنه صوت. وقد أثبت الباحثون ذلك من خلال تشغيل هواء الصندوق باستخدام لوح حرير يبلغ طوله 130 ميكرومترًا مثبتًا على إطار دائري.
وأوضح يانغ: “على الرغم من أننا نستطيع استخدام القماش لإصدار الصوت، إلا أن هناك بالفعل الكثير من الضوضاء في عالمنا. واعتقدنا أنه سيكون من المفيد خلق الصمت”.
ولتنفيذ القمع المباشر للصوت، يستخدم الباحثون مكبر صوت من القماش الحريري لإصدار موجات صوتية تتداخل بشكل مدمر مع الموجات الصوتية غير المرغوب فيها. فهي تتحكم في اهتزازات الألياف الكهرضغطية بحيث تكون الموجات الصوتية المنبعثة من القماش معاكسة للموجات الصوتية غير المرغوب فيها التي تضرب القماش، مما يلغي الضوضاء – لكن هذه التقنية فعالة فقط في منطقة صغيرة. ولذلك، طور الباحثون فكرة تطوير تقنية تستخدم اهتزازات النسيج لتخميد الصوت في مناطق واسعة جدًا، مثل غرفة النوم.
لنفترض أن جيرانك يشاهدون برنامجًا رياضيًا صاخبًا على شاشة التلفزيون في منتصف الليل. تسمع أصواتًا في غرفة نومك لأن الصوت في شقتهم يهتز جدارك المشترك، مما يخلق موجات صوتية على جانبك.
ولإخماد هذا الصوت، يمكن وضع قماش حريري على طول جانب الجدار المشترك للتحكم في اهتزازات الألياف والحفاظ على ثبات القماش. يمنع هذا القمع بواسطة الاهتزاز انتقال الصوت عبر القماش. وأضاف يانغ: “إذا تمكنا من التحكم في تلك الاهتزازات ومنع حدوثها، فيمكننا أيضًا إيقاف توليد الضوضاء”.
والمثير للدهشة أن الباحثين وجدوا أن إمساك القماش لا يزال يعكس الصوت من خلال القماش، مما يؤدي إلى عكس قطعة رقيقة من الحرير الصوت بنفس الطريقة التي تعكس بها المرآة الضوء.
وكشفت تجاربهم أيضًا أن الخواص الميكانيكية للنسيج وحجم مسامه يؤثران على فعالية توليد الصوت. على الرغم من أن الحرير والشاش لهما خصائص ميكانيكية مماثلة، إلا أن أحجام المسام الأصغر للحرير تجعله مادة عازلة للصوت أفضل.
لكن حجم الفتحة الفعال يعتمد أيضًا على تردد الموجات الصوتية. وقال يانغ إنه إذا كان التردد منخفضا بما فيه الكفاية، فحتى القماش ذو المسام الكبيرة نسبيا يمكن أن يعمل بفعالية.
عندما تم اختبار النسيج الحريري في وضع التوهين المباشر، وجد الباحثون أنه قلل بشكل كبير من حجم الأصوات بما يصل إلى 65 ديسيبل. في وضع كبت الاهتزاز، يمكن للنسيج أن يقلل من انتقال الصوت بنسبة تصل إلى 75%.
في المستقبل، يرغب أعضاء الفريق في استكشاف كيفية استخدام نسيجهم لحجب الصوت ذي الترددات المتعددة. وهذا يتطلب معالجة إشارات معقدة وإلكترونيات إضافية. ويهدفون أيضًا إلى دراسة بنية النسيج لمعرفة كيف يمكن أن يؤدي تغيير عدد الألياف الكهرضغطية، أو اتجاه خياطتها، أو الفولتية المطبقة، إلى تحسين الأداء.
وخلص يانغ إلى القول: “هناك الكثير من الروافع لجعل هذا النسيج المخفف للصوت أكثر فعالية. نريد أن نجعل الناس يفكرون في التحكم في الاهتزازات الهيكلية لتخفيف الصوت. هذه مجرد البداية”.
