Nguyên lý đối xứng song đôi: Bước đột phá vượt rào cản hấp thụ âm trong không gian thông gió

Trong kỹ thuật, việc thiết kế các không gian vừa đảm bảo thông gió vừa kiểm soát tiếng ồn luôn đặt ra một thách thức cơ bản. Các vật liệu cho phép không khí lưu thông như lưới thông gió hoặc khe thoáng thường đồng thời tạo điều kiện cho sóng âm truyền qua, làm giảm hiệu quả cách âm. Ngược lại, các vật liệu hấp thụ âm truyền thống như bọt xốp tiêu âm lại cản trở dòng khí, hạn chế ứng dụng trong các môi trường cần thông thoáng. Mâu thuẫn này phản ánh một giới hạn vật lý vốn được mô tả bởi nguyên lý ràng buộc nhân quả, trong đó tồn tại mối liên hệ đánh đổi giữa độ dày vật liệu và băng thông hấp thụ âm.

Một nhóm nghiên cứu do Giáo sư Nicholas X. Fang thuộc Khoa Cơ khí, Trường Kỹ thuật, The University of Hong Kong dẫn đầu đã công bố một phát hiện mang tính đột phá về nguyên lý vật lý mới cho phép vượt qua các rào cản hấp thụ âm thanh trong không gian thông gió.

Đối xứng kép và nguyên lý biến đổi toán học tương ứng. (a) Tán xạ đơn cực. (b) Tán xạ lưỡng cực. (c) Cơ chế ghép nối vật lý. Nguồn: Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-65786-w

Nhóm nghiên cứu đã lập một nguyên lý nền tảng khác, gọi là đối xứng song đôi, vốn xuất phát từ lý thuyết trường. Theo nhóm tác giả, đối xứng song đôi chi phối trực tiếp băng thông hấp thụ của hệ thống thông gió, qua đó thiết lập một mối liên hệ toán học sâu sắc giữa tính đối xứng của hệ và khả năng hấp thụ năng lượng âm. Trước đây, hai khái niệm này được xem là độc lập; tuy nhiên, phép suy diễn lý thuyết của nhóm nghiên cứu cho thấy chúng liên kết chặt chẽ ở mức độ cấu trúc vật lý cơ bản.

Dựa trên nguyên lý này, nhóm đã thiết kế một cấu trúc thông gió mới gồm hai buồng âm học liên kết với nhau. Cấu trúc này cho phép không khí lưu thông tự do trong khi năng lượng âm bị bẫy và tiêu tán thông qua cơ chế giao thoa triệt tiêu. Nhờ sự điều khiển chính xác pha và biên độ của sóng âm trong hai buồng cộng hưởng, hệ thống đạt được hiệu quả hấp thụ cao mà không cần tăng độ dày vật liệu.

Các thí nghiệm thực nghiệm cho thấy vật liệu mới có thể hấp thụ hơn 86% năng lượng âm trên dải tần rộng từ 300 Hz đến 6.000 Hz, vượt trội so với các tấm bọt tiêu âm truyền thống có cùng độ dày. Để định lượng toàn diện hiệu năng, nhóm nghiên cứu đề xuất một đại lượng đánh giá mới gọi là chỉ số hiệu suất tổng hợp, tích hợp đồng thời các yếu tố băng thông, độ dày và khả năng lưu thông không khí. Chỉ số này cung cấp một thước đo định lượng cho thiết kế tối ưu các hệ thống tiêu âm thông gió trong tương lai.

Nghiên cứu này không chỉ dừng lại ở khía cạnh lý thuyết mà còn mở ra tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong kỹ thuật xây dựng, hàng không và cơ khí công nghiệp. Các tòa nhà có thể được thiết kế yên tĩnh hơn mà vẫn đảm bảo thông gió tự nhiên; động cơ máy bay có thể được kiểm soát tiếng ồn hiệu quả hơn; và nhiều hệ thống kỹ thuật khác có thể tích hợp giải pháp giảm chấn âm mà không làm suy giảm hiệu năng lưu thông khí. Sự kết hợp giữa nguyên lý đối xứng song đôi, mô phỏng số tiên tiến và các thuật toán trí tuệ nhân tạo hứa hẹn thúc đẩy quá trình tối ưu hóa thiết kế, đưa công nghệ vật liệu âm học thế hệ mới tiến gần hơn tới triển khai thực tế.

Công trình được thực hiện với sự hợp tác của Giáo sư I. David Abrahams từ University of Cambridge và đối tác công nghiệp Acoustic Metamaterials Group Ltd., đã được công bố trên tạp chí Nature Communications năm 2025.

Diệu Huyền – Theo Techxplore.com