นักฟิสิกส์เผย โครงสร้างพลาสติกรูปทรงแปลกตา แยกเสียงรบกวนตามระดับความถี่ เตรียมพลิกโฉมการออกแบบเสียงในอนาคต

วันที่ 11 มิถุนายนที่ผ่านมา วารสาร Science Advances ตีพิมพ์รายงานการสร้างปรากฏการณ์  “รุ้งเสียง” หรือ "รุ้งอะคูสติก" ด้วยอุปกรณ์พลาสติกรูปทรงแปลกใหม่ ช่วยแยกเสียงรบกวนสีขาว (white noise) ออกเป็นความถี่หรือระดับเสียง (pitches) ที่แตกต่างกัน เช่นเดียวกับรุ้งกินน้ำที่แยกแสงออกเป็นสีต่าง ๆ อุปกรณ์นี้สามารถจัดเรียงระดับเสียงที่แตกต่างกันไปยังตำแหน่งเฉพาะรอบ ๆ ตัวอุปกรณ์ได้ นับเป็นก้าวสำคัญที่อาจนำไปสู่การควบคุมและปรับแต่งเสียงในรูปแบบที่ไม่เคยมีใครจินตนาการมาก่อน

อุปกรณ์นี้ประกอบด้วยเสารูปร่างไม่สมมาตรกระจัดกระจายอยู่ในโครงสร้าง ทำหน้าที่สะท้อนคลื่นเสียงในลักษณะที่ทำให้เกิดการรบกวนซึ่งกันและกัน เสียงที่ความถี่ต่าง ๆ จะถูกขยายตามตำแหน่งที่อยู่ ทำให้เกิดการแยกแยะเสียงเป็น “รุ้งอะคูสติก” ขึ้นมา แหล่งกำเนิดเสียงที่อยู่ตรงกลางสร้างคลื่นเสียงในช่วงความถี่สูง ซึ่งอยู่ในช่วงที่หูมนุษย์สามารถได้ยิน คือ ประมาณ 8 ถึง 13 กิโลเฮิรตซ์ การเน้นความถี่สูงเช่นนี้ ทำให้นักวิจัยสามารถกำหนดขนาดของอุปกรณ์ให้เล็กเท่ากับหูมนุษย์ ซึ่งเป็นแรงบันดาลใจในการออกแบบโดยตรง เพราะหูชั้นนอกของมนุษย์มีโครงสร้างที่แยกเสียงรบกวนออกเป็นระดับเสียงต่าง ๆ ทำให้สามารถระบุทิศทางของเสียงเหล่านั้นได้ตามธรรมชาติ หากในอนาคตมีการขยายขนาดของอุปกรณ์นี้ จะสามารถนำไปใช้กับช่วงความถี่ที่ต่ำลงได้

การออกแบบโครงสร้างที่สามารถสร้างรุ้งอะคูสติกนั้นไม่ใช่เรื่องง่าย เนื่องจากต้องจัดการกับความซับซ้อนของการควบคุมคลื่นเสียงที่มีความยาวคลื่นแตกต่างกัน นักวิจัยจึงใช้กระบวนการที่เรียกว่า "การออกแบบย้อนกลับ" (inverse design) โดยใช้แบบจำลองคอมพิวเตอร์จำลองว่าอุปกรณ์ที่มีการออกแบบหนึ่ง ๆ จะปล่อยคลื่นเสียงออกมาอย่างไร จากนั้นจึงนำไปเปรียบเทียบกับรุ้งอะคูสติกที่ต้องการ แล้วปรับเปลี่ยนรูปทรงเรขาคณิตของอุปกรณ์ซ้ำ ๆ เพื่อลดความแตกต่างระหว่างผลลัพธ์ทั้งสอง จนกระทั่งการออกแบบมีความสมบูรณ์แบบ ทีมนักวิจัยจึงใช้เทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติสร้างอุปกรณ์ต้นแบบขึ้นมา และพิสูจน์แล้วว่าอุปกรณ์ที่ออกแบบสามารถทำงานได้ตามที่กำหนด

ราสมุส คริสเตียนเซน นักฟิสิกส์จาก Technical University of Denmark ให้ความเห็นว่า กระบวนการออกแบบย้อนกลับทำให้เกิดโครงสร้างที่ดูสุ่ม ๆ หรือดูแปลก ๆ ในสายตาของมนุษย์ แต่โครงสร้างเหล่านี้กลับทำงานได้อย่างดีเยี่ยม เพราะถูกปรับแต่งมาเพื่อตอบสนองสิ่งที่นักวิจัยต้องการอย่างแม่นยำ อุปกรณ์ประเภทนี้มีศักยภาพในการประยุกต์ใช้ทางปฏิบัติได้หลากหลาย เช่น การควบคุมเสียงภายในห้อง โดยการส่งระดับเสียงที่ต่ำกว่าไปยังอุปกรณ์ดูดซับเสียง เป็นต้น

อ้างอิง

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.ads7497
https://www.sciencenews.org/article/sound-rainbow-device-acoustics