التلوث السمعي وطرق معالجته

هلسبقلكمحاولةتأديةواجبكالمدرسي،أوقراءةأحدالكتببينماشخصمايقصحشائشالحديقة،أويستخدممجففالشعربجانبك؟حيث تجعل الضوضاء التركيز أمرًا في غاية الصعوبة!والآنتخيلنفسكتقطنبجانبأحدالمطاراتالمزدحمةدائمًابرحلاتها。إذتُقدروكالةالبيئةالأوروبيةأنالضوضاءالمنبعثةمنالطائراتتتسببفيإيذاء12500طفلمنأطفالالمدارسالأوروبيةأثناءتلقيهمالعلم[1］．

ويُمكنأنتضرالضوضاءالزائدةعنالحدبصحتناأيضًا؛حيثتؤديإلىحدوثمايقربم12أنلفحالةوفاةمبكرةفيأوروباسنويًّا،نتيجةزيادةأمراضالقلبالناجمةعنأثرتلكالضوضاء。

تكمنإحدىالطرقالتييُمكننامنخلالهاتقليلالضوضاءالصادرةمنالمحركاتوالمراوح،فيإدراجأحدأجهزةإبطالالضوضاءفيتصميمهذهالمحركات،إلاأنتلكالأجهزةيُمكنأنتكونكبيرةالحجموغيرعملية。ونستعرضفيهذاالمقالكيفنستخدمالموادالمصنعةالخارقةلمعالجةهذهالمشكلة؛وذلكمنخلالتصميمإحدىهذهالموادالتييُمكننااستخدامهالصُنعأجهزةإبطالضوضاءالصوتصغيرةالحجم。أولًا،نستعرضحديثنابخصوصموجاتالصوت،ومايحدثعنداجتماعهامعًا。ثُمنتابعشرحكيفيةعملأحدأجهزةإبطالالصوتالصغيرة،وسنتطرقكذلكإلىفهمأهميةحجمجهازإبطالالضوضاء。بعدئذٍ،سنستعرضكيفيُمكن،باستخدامالمعادلاتالرياضية،تقليصحجمأجهزةإبطالالصوتمنخلالمادتناالجديدةالمُصنّعة。

خصائص الموجات الصوتية

ينتج الصوت نتيجة الاهتزازات。فعندما يهتز جسم ما؛يهتز الهواء من حوله。وتتسببجزيئاتالهواءالمهتزةفياهتزازجزيئاتهوائيةأخرىمنحولها،ويتكررالأمرتهتزإلىآذاننا。ثمتهتزالعظامالصغيرةداخلآذاننا،وتُميزعقولناتلكالإشاراتباعتبارهاصوتًا。وتنتقلالحركاتالاهتزازية——وليستالجسيماتالهوائية——فيإحدىالموجاتالصوتيةطوليًّا。

تتجمعالجسيماتالهوائيةمعًافيإحدىالموجاتالصوتية،ثمتتفرقكاللفائففيلعبةالسلينكيعنداجتماعهاوتفرقها。وعلىالرغممنأنالجسيماتالهوائيةتتحركللخلفوالأمامطوليًّافياتجاهالموجةالصوتية،فإننانرسمالموجاتالصوتيةعلىشكلخطوطمموجةتصعدوتهبط،بحيثتكونأكثرشبهًابموجاتالمحيط(انظرالشكل1)．حيثيدلارتفاعالخطالموجيعلىمقدارانضغاطالموجة؛أيإلىمدىالجسيماتالصوتيةمضغوطةمعًافيأينقطة。وتُوضحالنقاطالعليا(القم)مالمنطقةالأكثرتكدسًابالجسيمات،بينماتشيرالنقاطالمنخفضة(القيعان)إلىالمنطقةالأكثرتفرقًاللجسيمات。

ويطلقمصطلحسعةالصوتعلى المسافة بين المركز وأعلى أو أدنى نقطة؛كما هو موضح في رسمنا للموجة الصوتية。ويُقصد بسعة الصوت: طريقة قياس ارتفاع شدة الصوت。فتُخبرناكيفتتقاربالجسيماتالصوتيةمعًاأوتتباعد،مقارنةًبوضعياتهافيحالةالسكون。وكلما زاد الفارق بينهما، زادت شدة الصوت。ونستخدم مقياس الديسبل لقياس شدة الصوت。

بالإضافة لقياس سعة الصوت، نقيس أيضًا الطولالموجيللصوت،وتردده．ويُقصدبمصطلحالطولالموجي:المسافةمننقطةمافيموجةماللنقطةنفسهافيالموجةالتالية؛فمثلًا،المسافةمنقمةإحدىالموجاتإلىالقمةالتيتليها。ويُقصدبالتردد:عددالموجاتالتيتمرمنخلالنقطةثابتةفيزمنقدرهثانيةواحدة。ويقاسالترددبالهرتز،أو(Hz)،أوعددالموجات/الثانية。تذكرجيدًالعبةالسلينكي:إذاقمتبتجميعوتفريقلفائفالسلينكيبسرعة؛فسينتج عنه موجة ذات تردد مرتفع。ويقل التردد بخفض عدد الحركات في الثانية。ويُطلعناالترددعلىدرجةالصوت——فكلمازادالتردد؛زادت درجة الصوت。

كيفيُمكنأنينتجعناجتماعالموجاتالصوتيةمعًاصوتمنخفض؟

تؤثرالموجاتالصوتيةعلىبعضهاالبعضبعدةطرقعندتلاقيهامعًا。ونُسمي ذلك بالتداخل。ويختلفنوعالتداخلتبعًالكيفيةانتظامالموجاتالصوتيةمعبعضهاالبعض。فيُوضحالشكل1 bتموضعموجتينصوتيتينحيثتصطفقمتاهمااصطفافًاتامًا。وهنا نقول إن الموجتين الصوتيتين متطابقتان。وتجتمعالموجاتالصوتيةالمتطابقةلتَخرجلنابموجةذاتقمةأعلىوسعةصوتأكبر。وبالنسبةلأنواعالموجاتالصوتية،يعطيناهذاالتداخلموجةعاليةالصوت。ونُسمي هذه العمليةبتداخل الموجات البنّاء．

الآنانظرالشكل1 c．حيث تصطف قمم إحدى الموجات مع قيعان موجةٍ أخرى。ونشير إلى هذا الاصطفاف بمصطلح الموجات المتنافرة。وينتجعنذلك،إلغاءالموجتينبعضهمابعضًا،وينتهيالأمربعدموجودموجةصوتيةمنالأساس。ونُسمي هذه العمليةبتداخل الموجات الهدّام．وينتج عن تداخل الموجات الهدّام صوت منخفض。

إلغاء الضوضاء: رنان الطول الموجي الربعي

تعتمدالعديدمنالآلاتعلىتداخلالموجاتالهدّام؛لخفض الضوضاء الزائدة عن الحد。فمثلًا،تعملسماعاتالرأسالقائمةعلىخاصيةإلغاءالضوضاءعلىإصدارموجاتصوتيةتتنافرمعالأصواتالزائدةعنالحد。فعند التقاء الموجات الصوتية، تلغي بعضها بعضًا。بينماتعتمدالأجهزةالأخرىعلىتركيبهاالهندسيللقيامبذلك。وتتضمن تلك الأجهزةرنان الطول الموجي الربعي،الذييُستخدمللحدمنالضوضاءالصادرةعنالمحركاتوالمراوح[2，3.］．

يعملأنبوبالعادمفيالسيارةعلىإزالةالدخانمنالمحرك،وإطلاقهفيالهواء。ولكن تنتقل كذلك الضوضاء عبر هذا الأنبوب。ويُعدرنانالطولالموجيالربعيأنبوبًاإضافيًّاآخريتفرعمنأنبوبإخراجالعوادمالرئيسي。فمهمته حبس الموجات الصوتية وعكسها。ويوضحالشكل2كيفيةعمله。ينتقلالصوتعبرالأنبوب،وتنحرفبعضمنجزيئاتالموجةالصوتيةانحرافًاجانبيًّا،ثمتلتقيمنجديدمعالموجةالصوتيةالأساسيةمرةًأخرى。وعندتلاقيالموجتي,نالمنحرفةوالأساسية——مرةًثانيةتصبحانمتنافرتين؛مماينتجعنهوقوعتداخلالموجاتالهدّام،الذييصدرعنهصوتأكثرانخفاضًا。

يُعدطولالانحرافالجانبيمهمًّابالنسبةلتنافرالموجتينعنداجتماعهما،ويجبألايتعدىطولهربعالطولالموجيللصوتالذينريدإبطاله。وهذا سبب تسميتنا له برنان الطول الموجي الربعي。

مشكلة الضوضاء منخفضة التردد

تسير الأمور على نحوٍ جيد حتى الآن。لكن ماذا لو أصبحت الموجات الصوتية طويلة جدًّا؟يجبأنيكونالانحرافالجانبيربعطولالموجةالصوتية،لذاكلماأصبححجمالطولالموجيأكبر،أصبحنافيحاجةإلىزيادةحجمرنانالطولالموجيالربعي。ويمكن أن تُصبح الموجات الصوتية كبيرةً للغاية!حيثتملكأصواتالترددالمنخفضأطولطولموجي،وأصواتالترددالمرتفعأقصرطولموجي。كمايستطيعالبشرسماعالتردداتالمنخفضةالتيتصلإلى20هرتزًا،والتييبلغطولهاالموج17ميترًا!

يُمكنأنتشتملالضوضاءالصادرةعنالمحركاتتردداتبطولموجيأطولم3أنمتار[4］．وعندذلكنحتاجأنيكونطولرنانالطولالموجيالربعي75سم؛لمنعموجةصوتيةطولها3أمتارمنخلالتداخلالموجاتالهدّام。وتضيفالأجهزةالكبيرةوزنًاوسعرًاأكبر،ناهيكعنصعوبةاستخدامجهازبهذاالحجم!

تصميم المواد بالاستعانة بعلم الرياضيات

استخدمنا النمذجة الرياضية؛لتصميم مواد خاصة تساعد في حل هذه المشكلة。وتُسمى موادنا هذهبالمواد المُصنعة الخارقة．وتعتمدخواصالموادالمصنعةالخارقةعلىأشكالهاوتركيبها،دونًاعنالموادالخامالمصنعةمنها。وتتفاعلالموادالمصنعةالخارقةمعالموجاتالصوتيةبطرقلانشهدهامعالموادالعادية[5］．وقداستخدمناإحدىالطابعاتثلاثيةالأبعادلإدخالرناناتالطولالموجيالربعيمعتركيباتالموادالمصنعةالخارقة(الشكلان3 b،C)．ويبلغطولكلمنهما4سم،ذاتأشكالدقيقةوبيضاويةمتراكمةداخلهما。ويملكأحدهمامنفذًاضيقًاجدًّافيكلجانبمنجانبيه،فيحينأنالشكلالأخرلديهمنفذواسعإلىحدمافيمنتصفه。وقمناأيضًابصنعأحدرناناتالطولالموجيالربعيالعاديةدونوضعتركيباتالموادالمصنعةالخارقةبداخله(الشكل3)．

تبطئموادناالمصنعةالخارقةسرعةالصوتلنصفسرعتهالعادية。وتستطيعفعلذلكمنخلالتمديدالفراغالذيتنتقلعبرهالموجاتالصوتية。ولعمليةخفضسرعةالصوتتأثيرربمالاتتوقعه:حيثتُلغيرناناتالموادالمصنعةالخارقةالصوتذاالترددالمنخفضبفاعليةأكبرمنرناناتالطولالموجيالعادية。وهذانتاجالعلاقةالرياضيةبينالطولالموجي،والتردد،وسرعةالصوت:

يُمكنناإعادةترتيبهذهالمعادلةلغرضاحتسابقياساترناناتالطولالموجيالربعيلتُصبح:

حيثيمثلالطولالموجيأربعةأضعافطولرنانالطولالموجيالربعي。وإذاخفضناسرعةالصوتفيهذهالمعادلةإلىالنصف،فسينخفضبالتبعيةترددالصوتإلىالنصف。لذانتوقعأنتُلغيرناناتالموادالمصنعةالخاصةبناالصوتبتقليلترددهإلىالنصفمقارنةًبرنانالطولالموجيالربعيالعادي。

النتائج التي توصلنا إليها

يوضحالشكل3ماحدثعنداختبارنالثلاثةرناناتللطولالموجيالربعي。وقدقسناكميةالأصواتالمرتفعةالتيفُقدتعندتردداتمختلفة。وقدتوقعناأنالموادالمصنعةالخارقةلرناناتالطولالموجيالربعيتقللمنشدةالصوتبمقدارنصفالتردد،مقارنةًبالرناناتالعادية،وبالفعلنجحالأمرمعرناناتالطولالموجيالربعيالمصنعةمنالموادالخارقة!حيث تملك المواد الصناعية الخارقة فيالشكل3 bمنفذًاأوسعفيمنتصفهامقارنةًبمثيلتهاذاتالمنافذالضيقةعلىالجوانب،وأدىذلكالاختلافالبسيطإلىجعلهاأكثركفاءةعنالمادةالصناعيةالخارقةفيالشكل3 c؛حيث قل الصوت في هذه الحالة بمقدار 5 ديسبل。ويُعدهذااختلافًاجوهريًّا،علىغرارانخفاضالصوتالذيتحصلعليهنتيجةالابتعادعنالمصدرالمنبعثمنهالصوتلمسافةتزيدعنالمسافةالأصليةبمقدار1.8مرة(فمثلًا،إذاكنتتبعد100مترعنمصدرالصوت،فيعنيذلكالانتقاللتصبحعلىبُعدمسافة180مترًامنه)。

لماذانستخدمأجهزةأصغرحجمًاإذاانخفضالترددإلىالنصف؟

نُدركأنانخفاضترددإحدىالموجاتالصوتيةيعنيازديادطولهاالموجي。وإذاقللناترددموجةصوتيةمافيالهواءإلىالنصفيعنيذلكزيادةطولهاالموجيبمقدارالضعف。وتُقللرناناتالطولالموجيالربعيالطولالموجيللصوتبطبيعةالحالبمقدارأربعةأمثاله،بينماتقللرناناتالطولالموجيالربعيالمصنعةمنالموادالصناعيةالخارقةالطولالموجيللصوتبمقدارثمانيةأمثاله。فبدلًامنتسميتهابرناناتالطولالموجيالربعية،يمكنناتسميتهابرناناتالطولالموجيالثمانية。وبناءًعليه،وباستخدامالموادالمصنعةالخارقة،يُمكنناتقليلطولجهازإلغاءالضوضاءاللازملأيترددإلىالنصف。وهذامنشأنهأنيوفرالمساحةوالموارد،ويسمحلنابتقليلالضوضاءالمزعجةذاتالتردداتالأقلبفعاليةأكبرمقارنةًبالموادالعادية。ومنهنا،نرجوأننحققمستقبلًاأكثرهدوءًابالاستعانةبنتائجهذهالأبحاث!

مسردللمصطلحات

سعة الصوت(振幅)：↑يُقصدبهاأقصىإزاحةلأحدالجسيماتفيإحدىالموجاتالصوتيةمنموضعالسكون。وتصبحالموجاتالصوتيةأعلىصوتًامعاتساعسعتها،بينماتكونمنخفضةالصوتمعقلةسعتها。

الطول الموجي(波长)：↑يُقصدبهطولالموجةالصوتية،ويُقاسبالمتربدايةًمنأينقطةفيإحدىالموجاتالصوتيةإلىالنقطةنفسهافيالموجةالتاليةلها。

التردد(频率)：↑يُقصدبهعددالموجاتالصوتيةالتيتعبرنقطةثابتةفيثانيةواحدة،أوعددالذبذباتفيالثانية。ويقاس التردد بالهرتز (Hz، أو ثانية^－1)．

تداخل الموجات البنّاء(建设性干扰)：↑يحدثعنداصطفافالموجاتالصوتيةمعًا،أياصطفافقممهاوقيعانهامعًااصطفافًاتامًا،وتُصبحالنتيجةارتفاعسعةصوتالموجةالصوتية。

تداخل الموجات الهدّام(破坏性干扰)：↑يحدث عند اصطفاف الموجات معًا؛ولكنهنايقصدبهاصطفافقممموجةمامعقيعانموجةأخرى،وينتجعنذلكإلغاءالموجاتبعضهابعضًا。

رنانالطولالموجيالربعي(四分之一波长Quarter-Resonator)：↑أحدأجهزةإلغاءالضوضاءالتيتعتمدفيعملهاعلىتداخلالموجاتالهدّام。

المواد المصنعة الخارقة(超材料)：↑موادخاصةذاتمميزاتاستثنائيةتُحدَّدعادةًمنخلالتركيبهاالهندسي。

إقرار تضارب المصالح

يعلنالمؤلفونأنالبحثقدأُجريفيغيابأيعلاقاتتجاريةأوماليةيمكنتفسيرهاعلىأنهاتضاربمحتملفيالمصالح。

---

مقال المصدر الأصلي

↑罗利，W. D.，帕内尔，W. J.，亚伯拉罕，I. D.，沃西，S. R.，兰姆，J.和Etaix, N. 2018。利用通用宽频椭圆微结构的超材料加深亚波长声共振。应用物理Lett。112:251902。doi: 10.1063/1.5022197

---

المراجع

[1]↑欧洲环境局，2020年。2020年欧洲环境噪声．经济区。报告编号:22/2019。doi: 10.2800/686249

[２]↑吴超，陈丽，倪娟，徐娟。2016。基于四分之一波长管和亥姆霍兹消声器理论，对一种新型消声器进行了建模和实验验证。SpringerPlus5:1366。doi: 10.1186 / s40064 - 016 - 3060 - 1

[3]↑菲尔德，c.d.，弗里克，f.r. 1998。四分之一波谐振器的理论与应用:用于降低通过通风开口进入建筑物的噪声的前奏。:声学．53:117-32。doi: 10.1016 / s0003 - 682 x (97) 00035 - 2

[4]↑Ih J. G.， Choi C. Y.， Kim T. K.， jang S. H.， and Kim H. J. 2011。排气系统布局优化设计，以抑制怠速发动机的排放噪声。Int。J Automot。抛光工艺。12:617-30 doi: 10.1007/s12239-011-0072-2

［5］↑卡默，s.a.，克里斯滕森，J, Alù， A. 2016。用声学超材料控制声音。Nat Rev Mater脱线．1:16001。doi: 10.1038 / natrevmats.2016.1