Table of Contents
تحدي النمو في المناطق الحضرية
إن التلوث بالنوات هو إجهاد بيئي متفشي في المدن الحديثة، حيث توجد مصادر رئيسية تشمل حركة المرور على الطرق، والتشييد، ونظم السكك الحديدية، والعمليات الصناعية، ووفقاً لمنظمة الصحة العالمية، فإن التعرض المزمن للضوضاء البيئية يسهم في فقدان سمعي، وأمراض القلب والأوعية الدموية، واضطرابات النوم، والضعف المعرفي في الأطفال، ففي أوروبا وحدها، يعاني أكثر من 100 مليون شخص من مستويات الانقلاب الموصى بها، مما يجعل من الحد من الحد من الحد من الحد من الحد من الضغط على نطاق الصحة العامة أولوية.
فهم المواد الحرارية
التعريف والمبادئ الأساسية
إن المواد الحرارية هي مواد صلبة أو مركبة أو هياكل مصممة للتفاعل بقوة مع الحقول الحرارية والموجات الصوتية، ويشير مصطلح " الطاقة الحرارية " إلى التحول المتبادل للطاقة الحرارية والطاقة الصوتية، وفي حالة ضبط الضوضاء، فإن المهمة الأساسية هي استيعاب الطاقة السليمة بتحويلها إلى حرارة، مما يؤدي إلى الحد من كثافة الموجات المتحركة.
الخصائص الأساسية للمواد
وتحتاج مواسير الصوت الحراري الفعالة إلى نسبة عالية من المياه السطحية إلى الحجم، وإلى توارث حرارية منخفضة في المرحلة الصلبة (للإبقاء على مستويات الحرارة المرتفعة)، وإلى هيكل مخروطي ذي كفاءة عالية، يتيح للموجات الصوتية التغلغل والتفاعل الحراري، وتشمل المواد الأساسية المشتركة تواتراً من السيراميات، وتعدد الفلزات، وباحثين من ذوي المقاييس الكربونية.
How Thermoacoustic Materials Work in Noise Control
Thermoacoustic Effect in Porous Media
وفهما لكيفية تخفيض هذه المواد للضوضاء، يعتبر نموذجا بسيطا: فطنة مخروطة مع العديد من القنوات المتوازية الصغيرة ) " الوجبة السريعة " (، وتخلق موجة صوتية جديدة تبدل ضغط الغاز داخل كل قناة، وترتفع درجة حرارة الغاز، وتستوعب الجاذبية المتاخمة، بسبب عدم انتظامه الحراري، جزءا من تلك الحرارة.
العملية السلبية مقابل العملية النشطة
ومعظم تطبيقات مراقبة الضوضاء الحرارية سلبية: فالمواد تستوعب الصوت دون الحاجة إلى طاقة خارجية، غير أن هناك بديلا نشطا: فالمحرك الحراري أو المبرد، وفي حالة الإلغاء الفعلي، فإن وجود مصدر حراري )مثل عناصر التدفئة المقاومة التي تُستحوذ على كومة من الكم( يمكن أن يولد موجات صوتية تزول تماما عن مرحلة " الضوضاء النادر " ، مما يلغيه.
التكاثر والانتقائية
ومن السمات الهامة التي تكتنف المواد الحرارية 500، أن معامل الامتصاص فيها يتباين مع التواتر، وأن ذروة الامتصاص تحدث عندما تكون القناة نصف التردد مساوية تقريبا لعمق التغل الحراري، الذي يمتد إلى مقياس واحد، وبالتالي يمكن استخدام المواد إلى نطاقات محددة مثل أبعاد التردد، وقد لا تستوعب المواد إلا على نطاق محدود (مثلا، الشكل 1).
البحوث والتطورات الرئيسية الأخيرة
المنجزات المختبرية
وعلى مدى العقد الماضي، أظهرت عدة دراسات فعالية المركبين الحراريين في ظروف خاضعة للمراقبة، فعلى سبيل المثال، قام باحثون في جامعة توينتي (هولندا) بوضع كومة من الخزف الخليوي باستخدام مضبوطات متعددة من القنوات تبلغ 0.5 ملم، مما أدى إلى زيادة معامل الحد من الضوضاء على " الديزوفوري الوافد " (NRC)().
التصميمات الأمائية والهجينية
كما أن هناك نموذجاً بارزاً في هذا المجال، وهو " الميثامات الصوتية " التي تُستخدم في إطار دراسة ذات كفاءة حرارية، والتي تُستخدم في إطارها مادة " ميغاواط " ، وهي عبارة عن مواصفات غير قابلة للاختبار، وهي: مواصفات غير قابلة للاختبار، وهي:
سلف التكييف والنمذجة
Theccurate measurement and modeling of thermoacoustic absorption are essential for design. Researchers now routinely use impedance tube tests (ISO 10534-2) and reverberation room methods (ISO 354).
التطبيقات المحتملة في البيئات الحضرية
مدافع المرور
(أ) الحواجز التقليدية (الاختصار أو الخشب) تعكس الصوت بدلاً من استيعابه، وغالباً ما تسبب الانتشار على القمة؛ ويمكن تصميم الألواح الحرارية كحواجز خفيفة الوزن على الحواجز القائمة، مما يؤدي إلى تحسين استيعابها على الترددات التي تتركز فيها الضوضاء على حركة المرور.
بناء واجهات ويندو
ويمكن إدماج المواد الدرامية الحرارية في الجدران الخارجية أو نظم التصفيق الفارغة، حيث يمكن جعلها صلبة ومقاومة للطقس )مثلاً، السيراميات المقطعة، والمعادن المكبوتة(، وهي تؤدي وظائف مزدوجة: التصفيق الهيكلي واستيعاب الضوضاء، وهي واعدة بشكل خاص لإعادة تشغيل المباني القديمة التي تضيف فيها صبغة غير مسموعة " .
الأماكن العامة (الفاكس، بلازا، النقل العابر)
وتتزايد الحاجة إلى مناطق هادئة داخل المدن المزعجة، ويمكن نشر الألواح الحرارية كتمثالات صوتية مستقلة، أو أماكن الجلوس، أو أسطح الأدغال في الحدائق، أو استيعاب الضجيج في حركة المرور في المحيط، وخلق جيوب من الهدوء، وفي محطات النقل الفرعية، وفي محطات الحافلات، يمكن أن تُحدِّد المساحات والأسور لتقليل التكرار في مرحلات مدريد وتحسين عدد الكشوفات.
سدّ البنى التحتية (بريدج، تونيلز)
وتُعد الجسور والأنفاق مُسمّرة لتكثيف الضوضاء الهيكلية وضوضاء المرور، إذ يمكن ربط المواد الحرارية بالجيرات، أو بطانات النفق، أو توسيع المفاصل لتبريد الطاقة الفيزيائية والسبر المحمول جوا، ولأن هذه المواد عادة ما تكون خفيفة الوزن ومقاومة للحرائق (وأغلبها لا تُحتمل)، فهي أكثر أماناً من طبقات الصيانة التقليدية للرم أو في النسيجات.
المصدر: التخفيف (الإدارة والصناعة)
وبالإضافة إلى الامتصاص السلبي، يمكن استخدام البطانيات أو الأغلفة الحرارية مباشرة على أجهزة التأشير أو المضغوطين أو المولدات، فالتسامح الشديد في السيراميات (حتى 1000 درجة مئوية) يجعلها مناسبة لكشف المحركات، أما بالنسبة لمواقع البناء، فإن الحواجز الحرارية المحمولة يمكن أن تُنشر لحماية أماكن الإقامة القريبة أثناء الهدم أو قيادة المركبات.
التحديات والحواجز أمام التبني
مدة الخدمة في ظروف هرش
وتكشف البيئات الحضرية عن المواد التي تُمطر، والإشعاع فوق البنفسج، ودرجة الحرارة القصوى، والتلوث، والارتداء الميكانيكي، إذ أن العديد من المركبات الحرارية، ولا سيما تلك التي تُعدّ مواهب عالية (المركبات، والسرامات الحساسة) قد تتحلل على مدى فترات زمنية طويلة من التنظيف، أو تفككها في ظروف الرغاوي المميتة.
تكاليف التصنيع وقابلية التصعيد
ولا تزال المواد الحرارية المنتجة جماعيا بعد، فالدقة المطلوبة للسيراميات ذات الوصلات الدقيقة أو التوليف الهوائي يجعلها في الوقت الراهن أكثر تكلفة من 10 إلى 50 مرة لكل متر مربع من الصوف الزجاجي التقليدي أو الصوف الصخري، ولكي يمتد الاعتماد الواسع النطاق في مواجهات البناء أو الحواجز على جانب الطريق، فإن التكاليف يجب أن تهبط إلى مستوى مماثل، كما أن التقدم في التصنيع الإضافة (الطباعة عن نفايات السيرامي) يمكن أن يؤدي إلى الحد من الإنتاج.
التغطية والتغطية
وكما لوحظ، فإن الممتصات الحرارية ذات الطابع الضيق عادة، وضجيج المرور واسع النطاق مع عناصر هامة منخفضة التردد (أقل من 200 هرتز)، حيث تكافح المواد التقليدية بالفعل، وفي حين أن النظم الهجينة (الخصائص المميتة، والميتاتيريا) قد تؤدي إلى توسيع نطاق النطاق، فإنها أيضاً تزيد من التعقيد والتكلفة، كما أن تحقيق عدم استقرار المستودعات في حدود 0.8 إلى 50 هرتز لا يزال هدفاً بحثياً.
التكامل مع الهياكل الأساسية القائمة
وكثيرا ما يتطلب إعادة تجهيز المباني أو الحواجز القائمة التي تحتوي على مواد جديدة إجراء تعديلات هيكلية، ونظم متنامية، وتقييمات للسلامة من الحرائق، وعادة ما تكون الألواح الحرارية جامدة وقد لا تتفق مع السطحات المكشوفة دون اختلاقات مصممة حسب الطلب، وعلاوة على ذلك، لا تزال رموز البناء في العديد من المناطق تعتمد على نظم التصنيف الصوتي (مثلا، الترددات، أو عمليات الاستيعاب الصوتية في أمريكا الشمالية) التي لا تقيّم على نحو ملائم.
الاتجاهات المستقبلية والابتكارات الناشئة
النظم الذكية والتطبيقية الحرارية
وقد يكون الجيل القادم من المواد " غير قابل " في الوقت الحقيقي، فعلى سبيل المثال، يمكن أن يؤدي دمج مسخن مقاومة في الوجبات الخفيفة إلى تعديل درجة الحرارة بصورة نشطة، وتحويل معدل الذروة في الاستهلاك الاستيعابي عند الطلب، ويمكن لهذه النظم أن تتكيف مع أنماط الضوضاء المتغيرة (مثلاً، اليوم ضد حركة المرور الليل).
المواد الحيوية والمستدامة
وتُقدم الطبيعة الإلهام: توجد في أجنحة بعض العوارض هياكل الحجم التي تستوعب الصوت عن طريق آليات شبيهة بالصدمات الحرارية، ويقوم الباحثون بتصميم أكوام " خدش " ذات مسامات هرمية لتأثير هذه الممتصات الطبيعية، بالإضافة إلى ذلك، هناك اهتمام متزايد باستخدام مواد زجاجية مدوَّنة، أو رماد ذبابة، أو سلائف الكربون المركية ذاتية ذاتية.
التكامل مع الهياكل الأساسية الخضراء
فمكافحة الضوضاء مع الوظائف الحضرية الأخرى (التنقية الجوية، والعزل الحراري، وإدارة المياه) مفهوم جذاب، فعلى سبيل المثال، يمكن استخدام " الجدران الخضراء " التي تغطيها النباتات بالفعل في التبريد والتخثريات؛ ودمج الطبقات الحرارية وراء الغطاء النباتي يمكن أن يقلل في الوقت نفسه من الضجيج.
سائقو السياسات التنظيمية
ومع تزايد الوعي بالمخاطر الصحية الناجمة عن الضوضاء، يمكن أن تؤدي اللوائح الأكثر صرامة إلى الاعتماد، وتوصي المبادئ التوجيهية للرقم البيئي لمنظمة الصحة العالمية للمنطقة الأوروبية بالحد من الضجيج في حركة المرور على الطرق إلى أقل من 53 د.ب.دن، وكثير من المدن تنقصها الحاجة إلى حلول فعالة من حيث التكلفة للاستيعاب العالي، كما أن الحوافز الحكومية لمنتجات البناء المنخفضة الدقة أو مواصفات المشتريات العامة التي تصلح المواد ذات الأداء العالي يمكن أن تعجل الدخول إلى الأسواق.
خاتمة
وتُمثل المواد الحرارية حداً واعداً في مكافحة التلوث بالضوضاء الحضرية، إذ إن هذه المواد، باستخدامها للجمع بين الطاقة الحرارية والصوتية، يمكن أن تستوعب بشكل سليم، ولا سيما في النطاقات المتوسطة والعالي التي تكافح فيها الأساليب التقليدية، وتنتج عن ذلك البحوث الحديثة التصاميم، والهيكليات الاصطناعية، والتصميمات التي تحقق عوامل التكييف الاصطناعي التي تتجاوز 0.9.