Νέα μέθοδος εξαφάνισης του ήχου από το πανεπιστημίο του Χονγκ Κονγκ

Μηχανικοί του Πανεπιστημίου του Χονγκ Κονγκ ανακάλυψαν μια νέα φυσική αρχή που αλλάζει τα δεδομένα στη μείωση του θορύβου σε αεριζόμενους χώρους. Η εξέλιξη αυτή υπόσχεται πιο ήσυχα κτίρια, οχήματα και βιομηχανικά περιβάλλοντα, χωρίς να περιορίζεται η ροή του αέρα.

Η ερευνητική ομάδα, με επικεφαλής τον Καθηγητή Nicholas X. Fang από το Τμήμα Μηχανολογίας του HKU, εντόπισε ότι η λεγόμενη συμμετρία διπολικότητας — έννοια που προέρχεται από τη θεωρία πεδίων — καθορίζει το ποσοστό ήχου που μπορεί να απορροφήσει ένα αεριζόμενο σύστημα σε ευρύ φάσμα συχνοτήτων. Το εύρημα, δημοσιευμένο στο Nature Communications, αμφισβητεί τον γνωστό «περιορισμό αιτιότητας», ο οποίος μέχρι σήμερα όριζε το θεωρητικό όριο μεταξύ πάχους ενός υλικού και του εύρους ζώνης απορρόφησης.

«Η πιο συναρπαστική στιγμή για μένα ήταν όταν συνειδητοποίησα ότι η συμμετρία διπολικότητας διέπει το εύρος ζώνης απορρόφησης ενός αεριζόμενου συστήματος», δήλωσε ο Δρ Sichao Qu, κύριος συγγραφέας της μελέτης και Ερευνητής Επίκουρος Καθηγητής στο HKU. «Η συμμετρία και το εύρος ζώνης απορρόφησης ήταν προηγουμένως άσχετες ιδέες. Η παραγωγή μας αποκαλύπτει μια βαθιά μαθηματική σύζευξη μεταξύ τους.»

Η έρευνα πραγματοποιήθηκε σε συνεργασία με τον Καθηγητή I. David Abrahams από το Πανεπιστήμιο του Cambridge και την εταιρεία Acoustic Metamaterials Group Ltd., με έδρα το Χονγκ Κονγκ, η οποία εξειδικεύεται στην εμπορευματοποίηση ακουστικών μεταϋλικών από το 2017.

Για να ελέγξουν τη θεωρία τους, οι ερευνητές σχεδίασαν μια αεριζόμενη δομή με δύο συνδεδεμένους ακουστικούς θαλάμους. Η διάταξη αυτή επιτρέπει τη διέλευση του αέρα ενώ παγιδεύει και διασκορπίζει την ηχητική ενέργεια μέσω καταστροφικής συμβολής, όπου αντίθετα ηχητικά κύματα αλληλοεξουδετερώνονται.

Στα πειράματα, το υλικό πέτυχε απορρόφηση άνω του 86% σε συχνότητες από 300 Hz έως 6.000 Hz, ξεπερνώντας σημαντικά τα παραδοσιακά πάνελ αφρού ίδιου πάχους. Παράλληλα, οι ερευνητές εισήγαγαν έναν νέο δείκτη αξιολόγησης, το Figure of Merit, που μετρά την απόδοση ενός συστήματος ως προς το εύρος ζώνης, το πάχος και τη ροή αέρα ταυτόχρονα — μια πιο ολοκληρωμένη προσέγγιση σε σχέση με τα υπάρχοντα κριτήρια.

Η αντιπαράθεση μεταξύ αερισμού και ηχομόνωσης απασχολεί εδώ και δεκαετίες αρχιτέκτονες και μηχανικούς. Τα υλικά που απορροφούν τον ήχο, όπως οι πυκνοί αφροί, εμποδίζουν τη ροή του αέρα, ενώ τα ανοίγματα που επιτρέπουν τον αερισμό δεν μπλοκάρουν τον θόρυβο. Μέχρι σήμερα, τα μεταϋλικά που διατηρούσαν αεραγωγούς δεν ξεπερνούσαν το 50% απορρόφησης.

Ο Καθηγητής Fang, πρώην μέλος της ακαδημαϊκής ομάδας του MIT που εντάχθηκε στο HKU το 2022, τιμήθηκε με το Μετάλλιο Brillouin 2025 μαζί με τον Πρόεδρο του HKU Xiang Zhang, για την πρωτοποριακή τους εργασία στα υπερηχητικά μεταϋλικά με αρνητικό μέτρο ελαστικότητας. Η νέα μελέτη επεκτείνει αυτή τη γραμμή έρευνας σε ρεαλιστικές εφαρμογές ελέγχου θορύβου.

Η ομάδα προβλέπει εφαρμογές στον αρχιτεκτονικό σχεδιασμό, στις θήκες κινητήρων αεροσκαφών και στη βιομηχανική απόσβεση θορύβου. Παράλληλα, εκτιμά ότι η τεχνητή νοημοσύνη και τα εργαλεία προσομοίωσης θα επιταχύνουν τη βελτιστοποίηση των συστημάτων για μαζική παραγωγή.

Όπως επισημαίνουν οι ερευνητές, η εργασία αυτή θέτει τις βάσεις για ένα νέο θεωρητικό πλαίσιο που αποκαλύπτει «μέχρι τώρα ανεκμετάλλευτο δυναμικό απορρόφησης σε ευρυζωνικά ακουστικά μεταϋλικά».