با تداوم توسعه فناوری‌های جدید، به ویژه گرایش به ماشین‌آلات سریعتر و پرقدرت‌تر در میان جوامع انسانی، تأثیرپذیری محیط زیست از سر و صدا و نویز باعث نگرانی روزافزون سازمان‌های مرتبط با سلامت می‌شود که به تبع آن، منجر به تلاش‌های چشمگیر برای یافتن ابزارهای مؤثر برای کاهش این سر و صدا می‌انجامد. استفاده از تجهیزات اضافی برای کاهش نویز، مبتنی بر دو مزیت عمده و الزامی این مواد یعنی هزینه‌های پایین تولید و وزن اندک است، به عنوان مثال مواد نساجی در تبدیل حرکت مکانیکی ذرات هوا در امواج صوتی به میزان اندک گرما مؤثر هستند.
تقریباً همه مواد نوعی خاصیت آکوستیک دارند. با این حال، موادی که بخش عمده صدا را به جای انعکاس، جذب می‌کنند، اصطلاحاً "آکوستیک" نامیده می‌شوند. مواد جذب‌کننده صدا به عنوان راه حلی برای به حداقل رساندن تأثیر نویز محیط بر زندگی افراد مورد توجه بسیاری قرار گرفته و امروزه عملکرد بسیار خوبی دارند. نانوالیاف بدست آمده با استفاده از ریسندگی الکتریکی، دارای ویژگی‌های قابل توجهی از جمله نسبت بالای سطح به حجم، اتصال متقابل منافذ مطلوب، تخلخل زیاد و توانایی ترکیب اجزای فعال در مقیاس نانو می‌باشند. این خصوصیات باعث می‌شود که لایه‌های نانوالیاف نسبت به مواد معمولی مانند پشم شیشه و نمد که برای جذب صدا مورد استفاده قرار می‌گیرند، دارای خواص متفاوتی باشند.
این خصوصیات مواد نانو و توسعه اخیر در حوزه فناوری نانو، باعث می‌شود مواد نانو برای استفاده در زمینه کنترل نویز و تصحیح محیط‌های صوتی مناسب‌تر باشند، زیرا می‌توان از بهبود ویژگی‌های صوتی مواد سنتی، بدون افزایش وزن و اندازه آنها، بهره فراوانی برد. کاربردهای احتمالی این مواد جدید در صنایع خودروسازی، حمل و نقل ریلی و هوافضا است که کاهش وزن برای افزایش راندمان سوخت به شدت لازم است.
نانوالیاف از دیرباز برای استفاده در انواع پوشش‌های عایق پیشنهاد شده‌اند، زیرا مزایای آنها برای محصولات عایق صوتی قابل توجه است. اخیراً پیشرفت در تجهیزات تولید، باعث کاهش هزینه‌های تولید نانوالیاف یک محصول، بهبود کیفیت شبکه‌های نانوالیافی شده و امکان ادغام آسان‌تر با فرآیند تولید عایق صوتی موجود را فراهم کرده است.
در حمل و نقل ریلی، ارتعاش و در کنار آن نویز ناشی از حرکت قطارها، چه در حوزه قطارهای شهری مانند مترو و چه در حوزه قطارهای حومه‌ای و برون‌شهری، همواره معضلی قابل توجه بوده است. یکی از مثال‌های داخلی این امر در شهر تهران بوده است که شرکت بهره‌برداری مترو در نزدیکی بیمارستان قلب تهران، اقدام به استفاده از پابندهای مخصوصی نموده است تا سطح ارتعاش و نویز در این منطقه به حداقل برسد. در خارج از شهر، نویز و سروصدای ناشی از حرکت قطارها از دیرباز اثرات گسترده روی محیط‌های نزدیک خطوط داشته است که ذکر تمامی آنها در حوصله این مطلب نمی‌گنجد. فناوری نانو در خصوص نویز حمل و نقل ریلی و حتی به طور مشابه در صنایع خودرو و هوافضا، قادر است پوشش‌های عایق و ساختارهای آکوستیکی پیشرفته‌ای ارائه کند که می‌توانند برای مقابله با مشکلات آلودگی صوتی موجود بسیار مفید باشند. اما ابتدا باید ساختار آکوستیک ارائه و بررسی شود.
تعریف آکوستیک
آکوستیک به عنوان یک مطالعه علمی از صدا تعریف شده است که شامل تأثیر بازتاب، شکست، جذب، پراش و تداخل است. سیستم نویز را می‌توان به سه عنصر تقسیم کرد:
· منبع نویز عنصر که هوا را مختل می‌کند
· مسیر نویز که محیطی است که از طریق آن انرژی آکوستیک از یک نقطه به نقطه دیگر پخش می‌شود
· گیرنده نویز که به طور بالقوه می‌تواند از کمیت یا سطح سر و صدایی که از منبع بدست می‌آورد اطلاع پیدا کند
به طور کلی چهار اصل اساسی برای کاهش نویز به کار می‌رود:
· ایزولاسیون یا جداسازی
· جذب
· جداسازی لرزش
· میرایی لرزش
فناوری نانو به خصوص در سه بخش جذب، جداسازی و میرایی لرزش می‌تواند به کار رود تا خواص آکوستیکی مواد را بهبود بخشد. ایزولاسیون یا جداسازی منبع نویز عملاً در بسیاری از محیط‌های حمل و نقل ریلی دور از انتظار است، اما در حوزه قطارهای شهری و مترو، به عنوان مثال در بدنه این دستگاه‌ها، می‌توان به آن امیدوار بود. در محیط‌های بین شهری، هزینه‌های عایق‌سازی صوتی خطوط به شدت بالاتر از آن است که صرفه اقتصادی داشته باشد، گو اینکه در این مناطق قطارها به طور طبیعی هنگام طراحی مسیر از محیط‌های شهری و روستایی فاصله دارند و نویزی که از قطارها در این فواصل شنیده می‌شود، قابل پیشگیری نیست. جداسازی لرزش نیز ممکن نیست، چون ارتعاشات قطار عملاً بخشی از مکانیزم رانش این سیستم و نشانه عملکرد صحیح آن است. جداسازی، میرایی لرزش و حتی محتمل‌تر از آن، جذب آکوستیکی صدا، سه گزینه در دسترس برای فناوری نانو هستند که در حوزه ریلی امکان کار کردن روی آنها وجود دارد. نمودار زیر فرکانس‌های تحریک راه‌آهن در بخش‌های مختلف را نشان می‌دهد.
مکانیسم جذب صدا در مواد فیبری برخی از مواد به صدا اجازه می‌دهند تا به راحتی وارد آن شود. این مواد متخلخل خوانده می‌شوند. مواد متخلخل آکوستیک می‌توانند تخلخل بیشتری از 90٪ داشته باشند. رایج‌ترین مواد جذب صدا، سلول فوم و فیبر هستند.
هرچه مواد خواص فیبری بیشتری داشته باشند، جذب بهتری دارند. برعکس، مواد متراکم‌تر توانایی جذب کمتری دارند. ویژگی‌های جذب صدا مواد آکوستیک با تغییر فرکانس بسیار متفاوت است. به طور کلی جذب صداهای با فرکانس پایین به دلیل طول موج بالای آنها بسیار مشکل است. از طرف دیگر، ما نسبت به صداهای با فرکانس کم حساسیت کمتری داریم، بنابراین اولویت به صداهای با فرکانس بالا تعلق می‌گیرد که خوشبختانه در مقوله آلودگی صوتی نیز از اهمیت بیشتری برخوردار هستند.
نحوه عملکرد مواد متخلخل
ماده متخلخل با تبدیل انرژی آکوستیکی به گرما، شدت نویزی که از آن عبور می‌کند را به نحو مؤثری کاهش می‌دهد. مواد متخلخل دو فاز دارند: فاز جامد که فریم نامیده می‌شود و فاز سیال که فضای خالی فریم را پر می‌کند. این مواد از لحاظ ساختار فاز جامد به دو دسته سلولی و فیبری تقسیم بندی می‌گردند. مواد متخلخل سلولی با سلول‌های تمام باز (ماده کاملاً مشبک) یا نیمه باز (ماده نیمه مشبک) ساخته می‌شوند. مواد متخلخل فیبری از رشته‌های به هم تنیده با شعاع فیبر بسیار کم تشکیل شده‌اند.
عمده مواد متخلخل دارای ساختار ناهمگن و نامنظم هستند که به خصوص در جهات مختلف، می‌تواند اثرات ماکروسکوپی متعددی بر عملکرد آنها داشته باشد. به همین دلیل خواص مواد متخلخل معمولاً با میانگین‌گیری از مقادیر اندازه‌گیری شده در نمونه‌های متعدد ماده تخمین زده می‌شود. تئوری‌های موجود مواد متخلخل هیچکدام صریحاً این ناهمگنی را در بر نمی‌گیرند. بنابراین، مدلسازی‌هایی نیز که بر پایه این تئوری‌ها ارائه می‌گردند با فرض همگن بودن ماده انجام می‌شوند، مگر آنکه ناهمگنی در مرحله مدلسازی برای ماده در نظر گرفته شود. ایراد عمده این امر این است که ماده در عمل، ویژگی‌هایی از خود نشان می‌دهد که پیش از این پیشبینی نشده بود، به خصوص این امر که بازدهی عملیاتی آن پایین‌تر از چیزی خواهد بود که به صورت تئوری بدست آمده است. اثر فناوری نانو برای اصلاح این امر، با تضمین منظم بودن ساختار ماده متخلخل، می‌تواند منجر به دقت بالا در مرحله تولید و توسعه و بهره‌وری بیشتر شود.
حتی حالا، مواد متخلخل آکوستیک در صنعت ریلی استفاده می‌شوند. گرچه، همان طور که گفته شد، مهمترین پتانسیل این مواد در بخش مترو و قطار شهری است، اما همین حوزه نیز هنوز جای کار و توسعه بسیاری دارد و به هیچ عنوان اشباع نیست. تصاویر زیر نمونه‌هایی از این مواد را نشان می‌دهد. تصویر بالا بهبود بدنه واگن‌های قطار به کمک مواد متخلخل و تصویر پایین استفاده از فوم‌های آلومینیوم را نشان می‌دهد.
فرصت‌های نانو در این بخش
از آنچه ارائه شد، پتانسیل به کارگیری فناوری نانو برای بهبود اجزای سیستم حمل و نقل ریلی، به خصوص قطارهای شهری، آشکار است. در بخش‌های میرایی لرزش بدنه نیز می‌توان به استفاده از مواد میراگر با خواص نانو با طول عمر و اثرگذاری بالاتر امیدوار بود. مترو و راه آهن جمهوری اسلامی بدون شک از ایده‌پردازی برای بهبود وضعیت آلودگی صوتی و کاهش نویز و ارتعاش استقبال می‌کنند و این بر عهده فعالان حوزه نانو خواهد بود که راه حل مطلوب این حوزه را بیابند.