آلودگی صوتی به یکی از مشکلات جوامع نوین تبدیل شده است. نویز (سر و صدا) می تواند اثرات مخربی بر سلامت انسان وارد کند. برای مثال از دست دادن شنوایی، اختلالات خواب، احساس خستگی، مشکلات قلبی عروقی، مشکلات روانی، کاهش عملکرد، رفتار پرخاشگرانه و مشکلات اجتماعی از آسیب های نویز بر سلامتی می باشد. بنابراین کاهش و یا کنترل آن خیلی مهم است. با ادامه ی توسعه و پیشرفت تکنولوژی و ساخت ماشین آلات سریعتر و قدرتمندتر، نویزهای محیطی افزایش پیدا کرده است. موا جاذب صوت بعنوان راه حلی برای این مشکل در نظر گرفته شده اند و عملکرد خوبی نیز داشته اند[1].
روش های گوناگونی برای کاهش سر و صدا وجود دارد که بطور کلی در دو گروه فعال و غیرفعال قرار می گیرند. مدیای فعال از نظر نیاز به انرژی خارجی در فرایند کاهش صوت با مدیای غیرفعال تفاوت دارد. مواد جاذب صوت، غیرفعال هستند که با تبدیل انرژی صوتی به گرما، آن را حذف می کنند. پارچه های نبافته بطور گسترده ای برای کاهش سر و صدا استفاده می شوند. جذب صدا و ممانعت انتقال صدا فاکتورهای اصلی موثر بر خواص آکوستیک مواد هستند که به برهمکنش امواج صوتی با فیبری سازنده ماده بستگی دارد. پارچه های نبافته در فرکانس های بالا بخوبی صوت را جذب می کنند ولی برای فرکانس های میانه و پایین کمتر کارایی دارند که به علت دانسیته کم آن ها می باشد[2]. مواد منسوج می توانند حرکات مکانیکی ذرات هوا را به حرارت تبدیل کنند (موج صوتی با حرکت ذرات هوا منتقل می شود). تقریبا همه ی مواد تا حدی خاصیت آکوستیک دارند. بهرحال به موادی که بتوانند صوت را بجای انعکاس، جذب کنند مواد آکوستیک می گویند[1].
پارامترهای مختلفی بر روی رفتار اکوستیک مواد اثر دارد که میتوان به تخلخل، پیچ و خم، سطح پارچه، تراکم، مقاومت جریان هوا، ضخامت و سطح مقطع فیبر اشاره کرد[3, 4]. در کل برای بهبود رفتار اکوستیک مواد، بهبود جذب صوت و ممانعت از انتقال آن خیلی مهم است. برای جذب بیشتر می توان از مواد جاذب مناسب استفاده کرد و برای ممانعت از انتقال صوت به مانع های سخت نیاز است. جاذب باید سبک و متخلخل باشد ولی مانع باید نفوذ ناپذیر و حجیم باشد. ساخت ترکیبی مناسب از این دو، یکی از چالش های اصلی مهندسان در این زمینه است[5].
گفته شده است که کامپوزیت فیبری کربن فعال با زیر لایه پنبه ای سبک تر هستند و دارای قابلیت جذب بهبود یافته برای امواج صوتی با فرکانس بالا می باشند و در مقایسه با سایر مواد فیبری دارای ممانعت عبور بیشتری برای هر دو محدوده فرکانس هستند. این عملکرد ناشی از سطح مخصوص و حجم بیشتر میکرو منفذهای فیبری کربن فعال می باشد. در سال های اخیر راه حل های جدید بهبود خواص اکوستیک با استفاده از نانوفیبر بوده است. الکتروریسی روشی است که برای ساخت فیبر از مواد مختلف با ویژگی های مختلف استفاده می شود. نانوفیبر برای جذب صوت استفاده می شوند ولی عملکرد آن ها در ممانعت از عبور صوت هنوز مورد بررسی قرار نگرفته است[6].
نانوفیبر بدست آمده از الکتروریسی ویژگی های مهمی همچون نسبت سطح به حجم بالا، ساختار متخلخل بهم پیوسته، تخلخل بالا و خاصیت ادغام مواد نانوساختار دیگر را دارند. این ویژگی ها منجر شده است که نانوفیبر نسبت به پشم شیشه که بعنوان عایق استفاده می شود، خیلی متفاوت باشد. این خواص منحصر به فرد باعث شده که نانوفیبر به گزینه ی مناسبی برای عایق صوتی تبدیل شوند چراکه با استفاده از نانوفیبر میتوان بدون افزودن وزن و سایز نمونه های قبلی، کارایی آن ها را ارتقا داد. استفاده از نانوفیبر در عایق های صوتی منجر به کاهش هزینه ها و بهبود کارایی نمونه های قبلی می شود[1].

مکانیسم جذب صوت در مواد فیبری
صوت در برخورد با سطح دچار انعکاس، انکسار، جذب، پراش و تداخل می شود که میزان هرکدام بستگی به ویژگی های سطح مورد نظر دارد. بعضی مواد اجازه می دهند صوت به راحتی وارد آن ها شود که به آن ها متخلخل می گویند. مواد آکوستیک متخلخل می توانند تا بیش از 90 درصد تخلخل داشته باشند. جذب صدا یک فرایند تبدیل انرژی است. انرژی کینتیک صوت (هوا) در برخورد با فیبر یا حفره به گرما تبدیل می شود. به این ترتیب صدا از بین می رود. جذب صدا نتیجه اتلاف انرژی صوتی به صورت گرماست. وقتی صوت وارد مواد متخلخل می شود، با توجه به فشار صوت، مولکول های هوا در حفره ها با فرکانسی مشابه فرکانس امواج صوتی نوسان می کنند. این نوسانات منجر به اتلاف انرژی ناشی از اصطکاک می شود. تغییر در جهت حرکت امواج همچنین پدیده ی گسترش و انقباض از منافذ نامنظم منجر به کاهش تکانه می شود. به خاطر صدا، مولکول های هوای در حفره ها تحت تاثیر فرایند دوره ای ( شل شدن و فشرده شدن) قرار می گیرند که این منجر به تغییر دما می شود. به علت زمان طولانی، نسبت سطح به حجم بالا و رسانایی بالای فیبر با گرما، تبادل گرما در فرکانس های پایین رخ می دهد[1].
دلایل کلی کاهش انرژی صوتی در مواد جاذب صوت به صورت زیر می باشد:
• کاهش ناشی از اصطکاک
• کاهش ناشی تکانه
• نوسانات دمایی
در شکل زیر مکانیسم های جذب صدا را مشاهده می کنید.

(شکل 1) مکانیسم های جذب صدا [1]

هرچه ماده فیبری تر و متخلخل تر باشد جذب صوت بهتر و بیشتر اتفاق می افتد. برعکس هرچه ماده دانسیته بالاتری داشته باشد از جذب صوت پایین تری برخوردار است. جذب صوت برای مواد آکوستیک در فرکانس های مختلف متفاوت است. در کل صوت های با فرکانس پایین به علت طول موج بلندشان خیلی سخت جذب می شوند. از سوی دیگر ما نسبت به امواج با فرکانس پایین کمتر حساسیم. بطور خلاصه، صدا با ویسکوزیته هوا، تغییرات غیر قابل بازگشت مواد و رسانایی گرمایی بین فیبر و هوا تضعیف می شود. جذب صوت همچنین به ویژگی های ساختاری فیبر همچون نازک بودن، تراکم، پروسیته و ... بستگی دارد[1].
در یک مطالعه نانوفیبریی از جنس نایلون بر روی یک ماده متخلخل الکتروریسی شد. این نانوفیبر روی ماده متخلخل چسپانده شد و ضخامت های مختلفی از ماده ی متخلخل تست شد. اندازه گیری ها نشان داد که مواد معمول مانند پشم شیشه، پشم سنگ، فوم کنف و پلی استر در حضور نانوفیبر دارای خاصیت جذب صوت بهتری هستند[7].

(شکل 2) لایه نانوفیبری الکتروریسی شده بر روی زیر لایه فیبری

آقای Shuichi Akasaka و همکارانش یک جاذب صوت از نانوفیبری سیلیکون ساختند. در این مطالعه پارچه ی nonwoven ساخته شده از نانوفیبری سیلیکا با صد نانومتر تا چند میکرومتر سنتز شده است و تاثیر قطر فیبر بر جذب صوت بررسی شده است. مشاهده شده که با کاهش قطر فیبر، مقاومت جریان کاهش می یابد که این پدیده به علت افزایش سطح فیبرهاست. نتایج نشان داد کاهش قطر منجر به افزایش جذب صوت می شود[8].
در یک مطالعه ی دیگری که توسط دکتر احمد موسوی و همکارانش انجام شد، استفاده از نانوفیبری پلی یورتان و پلی آکریلونیتریل بعنوان عایق صوتی بررسی شد. لایه های مختلف نانوفیبر در بین نمونه ها قرار داده شد که شماتیک آماده سازی نمونه ها در زیر آورده شده است.

 

میانگین سایز نانوفیبری PAN و PU به ترتیب 121 و 203 نانومتر بود. نتایج نشان داد که کاهش انتقال صوت (ممانعت از عبور)، با افزایش تعداد لایه های PAN در پلی استر افزایش پیدا کرد ( تعداد لایه از یک به سه افزایش یافت). در حالی که امواج صوتی از لایه اول تا سوم حرکت می کند شدت آن مرحله به مرحله کمتر می شود. با توجه به داده های بدست آمده می توان نتیجه گرفت که افزایش تعداد لایه بهتر از افزایش حجم لایه است. در نمونه های حاوی PAN ممانعت از عبور صوت نسبت به PU بیشتر بود که ناشی از نفوذ پذیری هوای بیشتر و الاستیسیته بالاتر برای پلی یورتان است. همچنین پلی استر نسبت به پنبه ممانعت صوتی بیشتری نشان داد که بخاطر تخلخل کمتر آن (97%) نسبت به پنبه (99%) بود. علاوه بر این ها اندازه گیری ضریب جذب صدا نشان داد که حضور لایه نانوفیبری در بین لایه های نبافته، منجر به افزایش جذب صدا می شود. در این مطالعه نشان داده شد که می توان با استفاده از نانوفیبر ممانعت انتقال صوت و جذب آن را بصورت همزمان افزایش داد همچنین با استفاده از نانوفیبر ها ضخامت و وزن کاهش می یابد[9].

نتیجه گیری
با توجه به مطالب گفته شده می توان نتیجه گرفت که استفاده از نانوفیبر الکتروریسی شده در عایق های صوتی، یکی دیگر کاربردهای بی نظیر این نانوساختار می باشد. با استفاده از نانوفیبر می توان همزمان با بهبود کارایی هزینه ی ساخت را کاهش داد. علاوه بر این وزن عایق نیز کاهش می یابد که این فاکتور برای کاربردهایی مثل خودرو سازی و صنایع هوا فضا از اهمیت ویژه ای برخوردار است.

 

 

References
1. Bihola, D., H. Amin, and V. Shah, Engineering Science and Futuristic Technology. 2015.
2. Sagartzazu, X., L. Hervella-Nieto, and J. Pagalday, Review in sound absorbing materials. Archives of Computational Methods in Engineering, 2008. 15(3): p. 311-342.
3. Tascan, M. and E.A. Vaughn, Effects of fiber denier, fiber cross-sectional shape and fabric density on acoustical behavior of vertically lapped nonwoven fabrics. Journal of Engineered Fibers and Fabrics, 2008. 3(2): p. 32-38.
4. Yilmaz, N.D., et al., Effects of porosity, fiber size, and layering sequence on sound absorption performance of needle‐punched nonwovens. Journal of Applied Polymer Science, 2011. 121(5): p. 3056-3069.
5. Ingard, U., Noise reduction analysis. 2009: Jones & Bartlett Publishers.
6. Chen, Y. and N. Jiang, Carbonized and activated non-wovens as high-performance acoustic materials: Part I noise absorption. Textile Research Journal, 2007. 77(10): p. 785-791.
7. Trematerra, A., et al. Acoustic properties of nanofibres. in Forum acusticum. 2014.
8. Akasaka, S., et al., Sound absorption characteristics of silica nanofiber sheet. Sound absorption characteristics of silica nanofiber sheet, 2014: p. 64/1-5.
9. Rabbi, A., et al., Incorporation of Nanofiber Layers in Nonwoven Materials for Improving Their Acoustic Properties. Journal of Engineered Fibers and Fabrics, 2013. 8(4): p. 6.