Żyjemy w bardzo hałaśliwym świecie. Od szumu ruchu ulicznego za oknem, przez ryczący telewizor sąsiada, po dźwięki dochodzące z kabiny współpracownika – niepożądany hałas pozostaje poważnym problemem.
Aby przebić się przez hałas, w ramach interdyscyplinarnej współpracy naukowców z MIT i innych ośrodków opracowano tłumiący dźwięk jedwabny materiał, który można wykorzystać do tworzenia cichych przestrzeni.
Tkanina, która jest niewiele grubsza od ludzkiego włosa, zawiera specjalne włókno, które wibruje pod wpływem napięcia. Naukowcy wykorzystali te wibracje do tłumienia dźwięku na dwa różne sposoby.
W jednym z nich wibrująca tkanina generuje fale dźwiękowe, które zakłócają niepożądany hałas, aby go wytłumić, podobnie jak słuchawki z redukcją szumów, które dobrze sprawdzają się w małej przestrzeni, takiej jak uszy, ale nie sprawdzają się w dużych obudowach, takich jak pokoje lub samoloty.
W drugiej, bardziej zaskakującej technice, tkaninę utrzymuje się nieruchomo, aby stłumić wibracje kluczowe dla przenoszenia dźwięku. Zapobiega to przenoszeniu hałasu przez tkaninę i wycisza dźwięk poza nią. To drugie podejście pozwala na redukcję hałasu w znacznie większych przestrzeniach, takich jak pokoje lub samochody.
Wykorzystując popularne materiały, takie jak jedwab, płótno i muślin, naukowcy stworzyli tkaniny tłumiące hałas, które można zastosować w rzeczywistych przestrzeniach. Można na przykład użyć takiej tkaniny do wykonania przegród w otwartych przestrzeniach roboczych lub cienkich ścian z tkaniny, które zapobiegają przedostawaniu się dźwięku.
„Hałas jest znacznie łatwiejszy do wytworzenia niż cisza. Tak naprawdę, aby zapobiec przedostawaniu się hałasu, poświęcamy dużo miejsca grubym ścianom. [First author] Praca Grace zapewnia nowy mechanizm tworzenia cichych przestrzeni za pomocą cienkiego arkusza materiału” – mówi Yoel Fink, profesor na wydziałach Nauki i Inżynierii Materiałowej oraz Elektrotechniki i Informatyki, główny badacz w Laboratorium Badawczym Elektroniki i starszy autor papieru na tkaninie.
Główną autorką badania jest Grace (Noel) Yang SM '21, PhD '24. Współautorami są absolwenci MIT Taigyu Joo, Hyunhee Lee, Henry Cheung i Yongyi Zhao; Zachary Smith, profesor inżynierii chemicznej Roberta N. Noyce’a ds. rozwoju kariery na MIT; doktorant Guanchun Rui i profesor Lei Zhu z Case Western University; absolwent Jinuan Lin i adiunkt Chu Ma z Uniwersytetu Wisconsin w Madison; oraz Latika Balachander, absolwentka Rhode Island School of Design. Artykuł na temat badań, o otwartym dostępie, ukazał się niedawno w czasopiśmie Advanced Materials.
Jedwabista cisza
Tłumiący dźwięk jedwab powstał na bazie wcześniejszych prac grupy nad stworzeniem mikrofonów materiałowych.
W ramach tych badań wszyli w tkaninę pojedyncze pasmo włókna piezoelektrycznego. Materiały piezoelektryczne wytwarzają sygnał elektryczny po ściśnięciu lub zgięciu. Kiedy pobliski hałas powoduje wibracje tkaniny, włókno piezoelektryczne przekształca te wibracje w sygnał elektryczny, który może wychwycić dźwięk.
W nowej pracy naukowcy zmienili ten pomysł i stworzyli głośnik tekstylny, którego można używać do tłumienia fal dźwiękowych.
„Chociaż możemy używać tkanin do tworzenia dźwięku, w naszym świecie jest już tak dużo hałasu. Pomyśleliśmy, że tworzenie ciszy może być jeszcze cenniejsze” – mówi Yang.
Podanie sygnału elektrycznego na włókno piezoelektryczne powoduje jego wibrację, co generuje dźwięk. Naukowcy zademonstrowali to, odtwarzając utwór „Air” Bacha przy użyciu 130-mikrometrowego arkusza jedwabiu zamontowanego na okrągłej ramie.
Aby umożliwić bezpośrednie tłumienie dźwięku, badacze wykorzystują głośnik z jedwabnej tkaniny, który emituje fale dźwiękowe, które w destrukcyjny sposób zakłócają niepożądane fale dźwiękowe. Kontrolują wibracje światłowodu piezoelektrycznego, dzięki czemu fale dźwiękowe emitowane przez tkaninę są przeciwne do niepożądanych fal dźwiękowych uderzających w tkaninę, co może wytłumić hałas.
Jednak ta technika jest skuteczna tylko na niewielkim obszarze. Naukowcy oparli się więc na tym pomyśle, aby opracować technikę wykorzystującą wibracje tkaniny do tłumienia dźwięku w znacznie większych obszarach, takich jak sypialnia.
Załóżmy, że twoi sąsiedzi grają w piłkarzyki w środku nocy. Słyszysz hałas w swojej sypialni, ponieważ dźwięk w ich mieszkaniu powoduje wibrację wspólnej ściany, co powoduje powstawanie fal dźwiękowych po Twojej stronie.
Aby stłumić ten dźwięk, badacze mogli umieścić jedwabną tkaninę po Twojej stronie wspólnej ściany, kontrolując wibracje włókna, aby zmusić tkaninę do pozostania nieruchomą. To tłumienie za pośrednictwem wibracji zapobiega przenoszeniu dźwięku przez tkaninę.
„Jeśli potrafimy kontrolować te wibracje i zapobiegać ich występowaniu, możemy zatrzymać również generowany hałas” – mówi Yang.
Lustro dla dźwięku
Co zaskakujące, naukowcy odkryli, że trzymanie tkaniny nadal powoduje odbijanie dźwięku od tkaniny, w wyniku czego powstaje cienki kawałek jedwabiu, który odbija dźwięk tak jak lustro odbija światło.
Ich eksperymenty wykazały również, że zarówno właściwości mechaniczne tkaniny, jak i wielkość jej porów wpływają na efektywność generowania dźwięku. Chociaż jedwab i muślin mają podobne właściwości mechaniczne, mniejsze rozmiary porów jedwabiu sprawiają, że jest to lepszy głośnik tekstylny.
Jednak efektywny rozmiar porów zależy również od częstotliwości fal dźwiękowych. Yang twierdzi, że jeśli częstotliwość jest wystarczająco niska, nawet tkanina o stosunkowo dużych porach może działać skutecznie.
Kiedy przetestowali jedwabną tkaninę w trybie bezpośredniego tłumienia, naukowcy odkryli, że może ona znacznie zmniejszyć głośność dźwięków do 65 decybeli (mniej więcej tak głośno, jak entuzjastyczna rozmowa ludzka). W trybie tłumienia wibracji tkanina może zmniejszyć przenoszenie dźwięku nawet o 75 procent.
Wyniki te były możliwe tylko dzięki solidnej grupie współpracowników, mówi Fink. Absolwenci Rhode Island School of Design pomogli badaczom zrozumieć szczegóły konstrukcji tkanin; naukowcy z Uniwersytetu Wisconsin w Madison przeprowadzili symulacje; badacze z Case Western Reserve University scharakteryzowali materiały; i inżynierowie chemicy z Smith Group w MIT wykorzystali swoją wiedzę specjalistyczną w zakresie separacji membraną gazową do pomiaru przepływu powietrza przez tkaninę.
W przyszłości naukowcy chcą zbadać możliwość wykorzystania swojej tkaniny do blokowania dźwięków o wielu częstotliwościach. Prawdopodobnie wymagałoby to złożonego przetwarzania sygnału i dodatkowej elektroniki.
Ponadto chcą dalej badać architekturę tkaniny, aby zobaczyć, jak zmiana takich czynników, jak liczba włókien piezoelektrycznych, kierunek ich szycia lub przyłożone napięcie, mogą poprawić wydajność.
„Istnieje wiele pokręteł, którymi możemy obrócić, aby ten tłumiący dźwięk materiał był naprawdę skuteczny. Chcemy, aby ludzie pomyśleli o kontrolowaniu wibracji strukturalnych w celu tłumienia dźwięku. To dopiero początek” – mówi Yang.
Prace te są częściowo finansowane przez Narodową Fundację Nauki (NSF), Biuro Badań Armii (ARO), Agencję Redukcji Zagrożeń Obronnych (DTRA) i Fundację Badań Absolwentów Wisconsin.