پیام خوزستان - ایسنا / دانشمندان موفق به ایجاد یک سیاه‌چاله در آزمایشگاه شدند که دریافتند امواج صوتی را می‌بلعد.
مهار کردن صوت می‌تواند کاری بسیار دشوار و چالش‌برانگیز باشد. صدا، پیرامون ما را پر می‌کند، از منابع بی‌شمار خود بیرون می‌جهد و با برخورد به سطوح، به شکل پژواک بازمی‌گردد. همین ویژگی، بسته به مکان و نحوه طنین‌انداز شدن صدا، آن را هم بسیار سودمند و هم به‌شدت دردسرساز می‌کند.
موقعیت‌هایی وجود دارد که در آنها پژواک می‌تواند مشکل‌ساز شود. بارزترین نمونه، استودیوهای ضبط صدا است؛ اما یکی از حوزه‌های اصلی بروز این مشکل، شاید کمتر به چشم بیاید، چرا که بسیار فراگیرتر است و آن لوله‌ها هستند.
سیستم‌های تهویه، تهویه مطبوع، خروجی‌های صنعتی و حتی لوله‌کشی‌های آب را در نظر بگیرید. صدا در فضای درون این لوله‌ها و کانال‌ها حرکت می‌کند و هنگامی که با مانعی، تغییری در شکل یا انتهای مسدودِ مسیر مواجه می‌شود، ممکن است به شدت شروع به پیچیدن و ایجاد سروصدا کند.
اکنون دانشمندان دستگاه کوچک و هوشمندانه‌ای را ابداع کرده‌اند که می‌تواند با «بلعیدن» مؤثر صدا، این بازتاب‌ها را به‌شدت کاهش دهد.
این دستگاه «سیاه‌چاله صوتی» نام دارد و طراحی جدید آن به‌گونه‌ای است که می‌توان آن را با چاپگر سه‌بعدی ساخت و مستقیماً درون لوله‌های موجود نصب کرد. این پیشرفتی بزرگ نسبت به طرح‌های مرسوم محسوب می‌شود که در آنها سیاه‌چاله باید از همان ابتدا در ساختار خودِ لوله تعبیه می‌شد.
اوریول گواش(Oriol Guasch)، مهندس صوت‌شناسی(آکوستیک) از دانشگاه «لا سال»(La Salle) وابسته به دانشگاه «رامون لول» (Ramon Llull) در اسپانیا می‌گوید: تصور کنید مقابل کانالی ایستاده‌اید که انتهای آن مسدود است و درون آن فریاد می‌زنید. پس از وقفه‌ای کوتاه که به طول کانال بستگی دارد، پژواکی را می‌شنوید که از انتهای مسیر بازمی‌گردد.
وی افزود: اگر انتهای کانال به یک سیاه‌چاله صوتی مجهز شده باشد، عملاً هیچ پژواکی نخواهید شنید. از نظر آکوستیکی، وضعیت تقریباً به گونه‌ای خواهد بود که گویی لوله طول بی‌نهایتی دارد و هیچ انتهایی وجود ندارد که صدا بتواند از آنجا به سمت شما انعکاس یابد.
سیاه‌چاله‌ها بیش از هر چیز به عنوان اجرام اخترفیزیکی شناخته می‌شوند که نواحی بسیار چگال در فضا هستند که گرانش آنها، فضا-زمانِ پیرامونشان را چنان خمیده می‌کند که افقی کروی شکل می‌گیرد و حتی نور نیز نمی‌تواند از آن بگریزد.
دلایل بسیاری وجود دارد که چرا نمی‌توانیم این اجرام را از نزدیک مطالعه کنیم. از این رو، فیزیک‌دانان روش‌های دیگری ابداع کرده‌اند و نمونه‌های آزمایشگاهی مشابهی ساخته‌اند که جنبه‌هایی از رفتار سیاه‌چاله‌ها را بازسازی می‌کنند؛ روش‌هایی که گاهی بر پدیده‌هایی متکی هستند که ارتباط چندانی با گرانش ندارند.
سیاه‌چاله‌ای که توسط «گواش» و همکارانش طراحی شده و در مقاله‌ای به نویسندگی اصلی «جی دنگ»(Jie Deng)، مهندس دانشگاه «لا سال» در دانشگاه «رامون لول» توصیف شده است، ماهیتی متفاوت دارد و از قابلیت‌های عملکردی سیاه‌چاله‌ها الهام گرفته است.
این طرح به‌جای استفاده از صوت برای شبیه‌سازی فیزیک گرانش، از ویژگی غیرمعمولی در امواج صوتی بهره می‌برد. تحت شرایط خاص، سرعت این امواج به‌تدریج کاهش می‌یابد تا جایی که عملاً هرگز به پایان مسیر خود نمی‌رسند.
این وضعیت تا حدی شبیه به «پارادوکس دوگانگی» یا «پارادوکس تقسیم‌ناپذیری» زنون، فیلسوف یونان باستان است؛ پارادوکسی که در آن مسافر باید ابتدا نیمی از مسافت باقی‌مانده تا مقصد را طی کند، سپس نصفِ آن مقدارِ باقی‌مانده را و به همین ترتیب ادامه دهد، به‌گونه‌ای که گویی هرگز به مقصد نمی‌رسد.
تفاوت در اینجاست که در یک سیاه‌چاله صوتی، موج در حین حرکت واقعاً کند می‌شود.
گواش توضیح می‌دهد: آنچه برای موج هنگام نزدیک شدن به انتهای سیاه‌چاله صوتی رخ می‌دهد، شباهت خاصی به مشاهدات ناظر بیرونی در نزدیکی یک سیاه‌چاله اخترفیزیکی دارد. به نظر می‌رسد که موج برای رسیدن به نقطه نهایی، به زمانی بی‌نهایت نیاز دارد.
وی افزود: در حالت ایده‌آل، وقتی موج وارد سیاه‌چاله صوتی می‌شود، دیگر از آن خارج نمی‌شود.
راز این ناپدید شدن صوتی در طراحی آن نهفته است. همان‌طور که سیاه‌چاله 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 می‌دهد.
در طراحی‌های مرسوم، مجموعه‌ای از حلقه‌ها و حفره‌ها در دیواره داخلی لوله تعبیه می‌شوند که به‌گونه‌ای چیده شده‌اند تا سرعت امواج صوتی هنگام عبور از لوله، به‌تدریج کاهش یابد. در این فرآیند، طول موج‌ها کوتاه‌تر و انرژی آنها به‌طور فزاینده‌ای متمرکز می‌شود.
البته یک چالش وجود دارد؛ این ساختارها باید درون خودِ لوله‌ها تعبیه شوند و معمولاً به‌صورت یکپارچه ساخته می‌شوند. از این رو، نصب آنها در سیستم‌های موجود دشوار است. همچنین اثر سیاه‌چاله‌ای تنها در محدوده خاصی از فرکانس‌های صوتی عمل می‌کند.
«دنگ»، «گواش» و همکارانشان به این فکر افتادند که آیا می‌توانند با وارونه کردن کل ساختار، یعنی ایجاد یک «درخت کریسمس صوتی» به جای یک قیف، هر دو مشکل را حل کنند یا خیر.
گواش می‌گوید: این مفهوم به‌طرز شگفت‌آوری ساده است و عملکرد بسیار خوبی دارد. از دیدگاه عملی، می‌توان این سیاه‌چاله صوتی را به‌صورت مستقل از مجرا ساخت و سپس به‌سادگی آن را درون مجرا قرار داد.
طرح این گروه شامل مجموعه‌ای از حلقه‌ها است که روی یک میله مرکزی سوار شده‌اند و قطر آنها در طول میله به‌تدریج تغییر می‌کند. فضای خالی میان این حلقه‌ها، حفره‌هایی ایجاد می‌کند که نحوه انتشار صوت در لوله را تحت تأثیر قرار می‌دهند.
هنگامی که امواج صوتی از قسمت نوک وارد این سازه می‌شوند، سرعتشان کاهش می‌یابد و همزمان با متمرکز شدن انرژی به سمت انتهای دیگر، طول موج آنها نیز به‌تدریج کوتاه‌تر می‌شود.
اینجا است که آن ترفندِ «ناپدید شدن» رخ می‌دهد. بخش عمده‌ای از انرژی صوتی متمرکز، به‌جای اینکه صرفاً بازتاب یابد، بر اثر اصطکاک و تبادل حرارت میان هوا و سطوح دستگاه هدر می‌رود و در نتیجه، مقدار بسیار کمتری از آن به صورت پژواک باقی می‌ماند.
پژوهشگران این طرح را با استفاده از یک نمونه اولیه چاپ‌شده سه‌بعدی آزمایش کردند که سازه‌ای به طول ۱۵ سانتی‌متر 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 می‌رود.
سپس آنها درون لوله فریاد زدند، البته نه واقعاً؛ بلکه از یک بلندگو برای ارسال امواج صوتی با فرکانس‌های مختلف به داخل لوله و از میکروفون‌هایی برای اندازه‌گیری میزان بازتاب صدا استفاده کردند.
نتایج بسیار امیدوارکننده بود. میزان صدای بازتاب‌یافته از «سیاه‌چاله صوتی» تا حد زیادی با شبیه‌سازی‌های رایانه‌ای تیم مطابقت داشت؛ هرچند باید توجه داشت که این روش، پژواک را به‌طور کامل از بین نمی‌برد.
پژوهشگران همچنین با استفاده از شبیه‌سازی‌های رایانه‌ای، طرح جدید (ماژولار/قابل‌نصب) خود را با یک سیاه‌چاله صوتی مرسوم مقایسه کردند.
این بررسی‌ها نشان داد که هندسه جدید می‌تواند 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 سیاه‌چاله صوتی عمل می‌کند، به‌مراتب وسیع‌تر از نمونه‌های مرسوم است.
شبیه‌سازی‌ها همچنین نشان دادند که طرح جدید در طیف وسیعی از فرکانس‌ها، نسبت به نمونه مرسوم، صدای کمتری بازتاب می‌دهد. دلیل این امر آن است که حفره‌های میان حلقه‌ها در سیاه‌چاله صوتی در فرکانس‌های صوتی خاصی دچار تشدید (رزونانس) می‌شوند و نحوه جذب صدا توسط دستگاه را تغییر می‌دهند.
پژوهشگران دریافتند که در طرح جدید، این تشدیدها در فرکانس‌های بالاتری رخ می‌دهند و به اثر سیاه‌چاله اجازه می‌دهند تا در دامنه‌ای وسیع‌تر به عملکرد خود ادامه دهد.
بدیهی است که فوری‌ترین کاربردهای این فناوری در زمینه کنترل سروصدا، به‌ویژه در کانال‌ها و صداخفه‌کن‌هایی است که بازتاب صدا می‌تواند در آنها مشکل‌ساز شود.
پژوهشگران اکنون فراتر از لوله‌ها را مد نظر دارند و در حال بررسی این موضوع هستند که آیا می‌توان سیاه‌چاله‌های صوتی را در ابعاد دوبعدی و سه‌بعدی نیز توسعه داد تا در آکوستیک اتاق‌ها کاربرد داشته باشند.
هنوز چالش‌هایی وجود دارد که باید پیش از به‌کارگیری عملی این «درخت‌های کریسمس کوچکِ صداخوار» برطرف شوند. محیط‌های مختلف مشکلات متفاوتی را از ذراتی که می‌توانند حفره‌ها را مسدود کنند گرفته تا اثرات دما، فشار و جریان هوا به همراه دارند.
گواش از امکان دستکاری صدا به روش‌هایی که زمانی تقریباً غیرممکن به نظر می‌رسیدند، هیجان‌زده است. وی می‌گوید: شخصاً چیزی که من بیشتر از همه هیجان‌انگیز می‌دانم، فیزیک و ریاضیات پشت همه این‌ها و نحوه گرد هم آوردن حوزه‌های دانشی است که در ابتدا ممکن است کاملاً نامرتبط به نظر برسند.
وی افزود: البته همچنین، نوع کنترل موجی که اکنون می‌توان به آن دست یافت، احتمالاً چند سال پیش تقریباً شبیه داستان‌های علمی-تخیلی به نظر می‌رسید.
این پژوهش در مجله Applied Acoustics منتشر شده است.