Świat staje się coraz bardziej hałaśliwy. Od szumu ruchu ulicznego za oknem, przez ryczący telewizor sąsiada, po dźwięki dochodzące z kabiny współpracownika – niepożądany hałas pozostaje poważnym problemem.

Niezależnie od tego, czy chodzi o celowe generowanie fal akustycznych, czy o próbę złagodzenia niepożądanego hałasu, kontrola dźwięku stanowi obszar wyzwań i możliwości.

Aktywna redukcja hałasu polega na tłumieniu dźwięku w małej głośności i stała się znaczącym obszarem zastosowań słuchawek i wkładek dousznych, gdzie potrzebna jest jedynie niewielka cicha strefa w pobliżu błony bębenkowej. Wolumetryczne tłumienie dźwięku na większą skalę, np. w pomieszczeniu, przeprowadza się głównie poprzez podejścia pasywne, takie jak odbijanie dźwięku przy użyciu materiałów o wysokiej impedancji akustycznej lub pochłanianie dźwięku zwykle realizowane za pomocą izolacyjnych struktur włóknistych lub pianek.

Czy hałas można stłumić tkaniną niewiele grubszą od ludzkiego włosa? Naukowcy z Instytut Technologii w Massachusetts (MIT) twierdzą, że dokonali tego niesamowitego wyczynu. W ramach interdyscyplinarnej współpracy naukowców ze słynnego instytutu i współpracowników z innych czołowych amerykańskich uniwersytetów opracowano tłumiącą dźwięk tkaninę jedwabną, którą można wykorzystać do tworzenia cichych przestrzeni.

Sekret tkwi we włóknach

Tkanina zawiera specjalne włókno, które wibruje pod wpływem napięcia. Naukowcy wykorzystali te wibracje do tłumienia dźwięku na dwa różne sposoby. Jednym z nich jest to, że generuje wibrująca tkanina 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.

Tkanina ta może tłumić dźwięk, wytwarzając fale dźwiękowe, które zakłócają niepożądany hałas, aby go wytłumić (jak widać na rysunku C) lub trzymając ją nieruchomo w celu stłumienia wibracji kluczowych dla przenoszenia dźwięku (jak widać na rysunku D). (Źródło: dzięki uprzejmości Yoela Finka i Grace (Noel) Yang)

Druga, bardziej zaskakująca technika polega na trzymaniu tkaniny nieruchomo w celu stłumienia wibracji kluczowych 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 nie dopuścić do hałasu, poświęcamy dużo miejsca grubym ścianom” – napisał zespół. „Zapewniamy nowy mechanizm tworzenia cichych przestrzeni za pomocą cienkiego arkusza materiału” – powiedział profesor nauk o materiałach i inżynierii materiałowej Yoel Fink, główny autor badania.

Główną autorką badania była dr Grace (Noel) Yang, a w jej zespole znaleźli się absolwenci MIT oraz profesor inżynierii chemicznej Zachary Smith; absolwenci Case Western University w Cleveland, Ohio; prof. Chu Ma z Uniwersytetu Wisconsin w Madison; oraz absolwentka Rhode Island School of Design.

Ich badanie właśnie ukazało się w czasopiśmie Zaawansowane materiały pod tytułem „Jednowarstwowe tkaniny jedwabne i bawełniane do emisji akustycznej i aktywnego tłumienia dźwięku”.

W POPRZEDNICH BADANIACH uszyli pojedynczą nić włókna piezoelektrycznego, które po wciśnięciu lub zgięciu w tkaninę wytwarza sygnał elektryczny. Kiedy pobliski hałas powoduje wibracje tkaniny, włókno piezoelektryczne przekształca te wibracje w sygnał elektryczny, który może wychwycić dźwięk.

W nowym badaniu naukowcy wywrócili pomysł do góry nogami, aby stworzyć głośnik tekstylny, który będzie mógł służyć do tłumienia fal dźwiękowych. Podanie sygnału elektrycznego na włókno piezoelektryczne powoduje jego wibrację, co generuje dźwięk. Naukowcy zademonstrowali to, odtwarzając „Air” Bacha przy użyciu 130-mikrometrowego arkusza jedwabiu zamontowanego na okrągłej ramie.

„Chociaż możemy używać tkanin do tworzenia dźwięku, w naszym świecie jest już tak dużo hałasu. Pomyśleliśmy, że zachowywanie ciszy może być jeszcze bardziej wartościowe” – wyjaśnił Yang.

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 przeciwieństwem niepożądanych fal dźwiękowych uderzających w tkaninę, które mogą wytłumić hałas – ale ta technika jest skuteczna tylko na niewielkim obszarze. Naukowcy opracowali więc ten pomysł, aby opracować technikę wykorzystującą wibracje tkaniny do tłumienia dźwięku w znacznie większych obszarach, takich jak sypialnia.

Załóżmy, że Twoi sąsiedzi z sąsiedztwa oglądają w telewizji hałaśliwy program sportowy 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, możesz położyć jedwabną tkaninę po swojej stronie wspólnej ściany, kontrolując wibracje włókna i zmuszając tkaninę do pozostania nieruchomą. To tłumienie za pośrednictwem wibracji zapobiega przenoszeniu dźwięku przez tkaninę. „Jeśli potrafimy kontrolować te wibracje i zapobiegać im, możemy zatrzymać również generowany hałas” – dodał Yang.

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. Jeśli częstotliwość jest wystarczająco niska, nawet tkanina o stosunkowo dużych porach może działać skutecznie, powiedział Yang.

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 drgań tkanina może zmniejszyć przenoszenie dźwięku nawet o 75%.

W przyszłości członkowie zespołu chcą zbadać możliwość wykorzystania swojej tkaniny do blokowania dźwięków o wielu częstotliwościach. Prawdopodobnie wymagałoby to złożonego przetwarzania sygnału i dodatkowej elektroniki. Mają także na celu zbadanie architektury tkaniny, aby sprawdzić, jak zmiana takich czynników, jak liczba włókien piezoelektrycznych, kierunek ich szycia lub przyłożone napięcie, mogą poprawić wydajność.

„Jest wiele pokręteł, którymi możemy obrócić, aby ten tłumiący dźwięk materiał był naprawdę skuteczny. Chcemy, aby ludzie pomyśleli o kontrolowaniu wibracji konstrukcyjnych w celu tłumienia dźwięku. To dopiero początek” – podsumował Yang.





źródło