Ученые разработали звукопоглощающий шелк для больших помещений

Фото из открытых источников

Мы живем в очень шумном мире. От шума транспорта за окном до ревущего телевизора соседа и звуков из кабинета коллеги — нежелательный шум остается серьезной проблемой. Чтобы прорваться сквозь шум, междисциплинарное сотрудничество исследователей из Массачусетского технологического института и других организаций разработало звукопоглощающую шелковую ткань, которую можно использовать для создания тихих пространств. Исследование опубликовано в Advanced Materials.

Ткань, едва толще человеческого волоса, содержит специальное волокно, которое вибрирует при приложении к нему напряжения. Исследователи использовали эти вибрации для подавления звука двумя разными способами.

В одном из них вибрирующая ткань генерирует звуковые волны, которые мешают нежелательному шуму и подавляют его, подобно наушникам с шумоподавлением, которые хорошо работают в небольшом пространстве, например, в ваших ушах, но не работают в больших помещениях, таких как комнаты или самолеты. 

В другом, более удивительном методе ткань удерживается неподвижно, чтобы подавить вибрации, которые являются ключевыми для передачи звука. Это предотвращает передачу шума через ткань и снижает громкость за ее пределами. Этот второй подход позволяет снизить шум в гораздо больших помещениях, таких как комнаты или автомобили.

Используя обычные материалы, такие как шелк, холст и муслин, исследователи создали шумоподавляющие ткани, которые можно было бы практично использовать в реальных условиях. Например, из такой ткани можно сделать перегородки в открытых рабочих пространствах или тонкие тканевые стены, препятствующие проникновению звука. 

«Шум создать гораздо легче, чем тишину. Фактически, чтобы не допустить шума, мы отводим много места толстым стенам. Работа обеспечивает новый механизм создания тихих пространств с помощью тонкого листа ткани», — говорит соавтор исследования профессор Йоэль Финк.

Звукопоглощающий шелк является результатом предыдущей работы группы по созданию тканевых микрофонов.

В ходе этого исследования они вшили в ткань одну нить пьезоэлектрического волокна. Пьезоэлектрические материалы производят электрический сигнал при сжатии или изгибе. Когда соседний шум заставляет ткань вибрировать, пьезоэлектрическое волокно преобразует эти вибрации в электрический сигнал, который может улавливать звук. 

В новой работе исследователи перевернули эту идею и создали тканевый громкоговоритель, который можно использовать для подавления звуковых волн. 

«Хотя мы можем использовать ткань для создания звука, в нашем мире уже так много шума. Мы подумали, что создание тишины может быть еще более ценным», — говорит ведущий автор исследования Грейс Янг.

Подача электрического сигнала на пьезоэлектрическое волокно заставляет его вибрировать, создавая звук. Исследователи продемонстрировали это, сыграв «Воздух» Баха, используя лист шелка толщиной 130 микрометров, закрепленный на круглой раме.

Чтобы обеспечить прямое подавление звука, исследователи используют громкоговоритель из шелковой ткани, излучающий звуковые волны, которые разрушительно мешают нежелательным звуковым волнам. Они контролируют вибрации пьезоэлектрического волокна так, что звуковые волны, излучаемые тканью, противоположны нежелательным звуковым волнам, ударяющим о ткань, что может нейтрализовать шум.

Однако этот метод эффективен только на небольшой площади. Итак, исследователи развили эту идею и разработали метод, который использует вибрации ткани для подавления звука в гораздо больших помещениях, например, в комнате. Чтобы подавить звуки, исследователи могли бы разместить шелковую ткань на стене, контролируя вибрации волокна, заставляя ткань оставаться неподвижной. Такое подавление вибрации предотвращает передачу звука через ткань.

«Если мы сможем контролировать эти вибрации и остановить их возникновение, мы также сможем остановить создаваемый шум», — говорит Янг.

Удивительно, но исследователи обнаружили, что, удерживая ткань, звук по-прежнему отражается от нее, в результате чего тонкий кусок шелка отражает звук, как зеркало отражает свет. 

Их эксперименты также показали, что на эффективность генерации звука влияют как механические свойства ткани, так и размер ее пор. Хотя шелк и муслин имеют схожие механические свойства, меньший размер пор шелка делает его лучшим тканевым громкоговорителем. 

Но эффективный размер пор также зависит от частоты звуковых волн. По словам Янга, если частота достаточно низкая, даже ткань с относительно большими порами может работать эффективно.

Когда они протестировали шелковую ткань в режиме прямого подавления, исследователи обнаружили, что она может значительно снизить громкость звуков до 65 децибел (примерно так же громко, как восторженный человеческий разговор). В режиме подавления вибрации ткань может снизить передачу звука до 75 процентов.

В дальнейшем исследователи хотят изучить возможность использования своей ткани для блокировки звука нескольких частот. Это, вероятно, потребует сложной обработки сигналов и дополнительной электроники. 

Кроме того, они хотят дополнительно изучить архитектуру ткани, чтобы увидеть, как изменение таких факторов, как количество пьезоэлектрических волокон, направление их сшивания или приложенное напряжение, может улучшить производительность.

«Мы можем повернуть множество ручек, чтобы сделать эту звукопоглощающую ткань действительно эффективной. Мы хотим, чтобы люди подумали об управлении вибрациями конструкций для подавления звука. Это только начало», — говорит Янг.