Шум не пройдёт: командой учёных из России и Кореи разработана эффективна и дешёвая в производстве звукопоглощающая нанопена.

Шум не пройдёт: командой учёных из России и Кореи разработана эффективна и дешёвая в производстве звукопоглощающая нанопена. Подробнее - в материале Planet Today.

Материал способен снижать уровень шума на 100% эффективнее стандартных аналогов, реагируя на звуковые волны не только высоких, но и низких частот, которые могут негативно влиять на здоровье человека. Снижение уровня шумопередачи на 20-22 дБ можно считать радикальным, а полученный материал – прорывным. В разработке принимал участие молодой учёный из Дальневосточного федерального университета (ДВФУ).

ПАРТНЁРСКАЯ РАЗРАБОТКА

Исследования научного сотрудника Академического департамента ядерных технологий Школы естественных наук ДВФУ Алексея Завьялова в составе международной команды ученых из России* и Южной Кореи** под руководством профессора С.П. Бардаханова привели к созданию нанопены – нового шумопоглощающего композиционного материала.

«Проблема шума – проблема современной техногенной цивилизации. В Южной Корее по городам стоят стационарные и функционируют мобильные сети круглогодичного, круглосуточного мониторинга уровня шума. Урбанизация таких территориально небольших стран, как Южная Корея, значительно выше, чем в России. Однако и в нашей стране эта проблема весьма актуальна для крупных городов, – пояснил Алексей Завьялов. – Разработкой новых шумопоглощающих материалов особенно интересуется автопромышленность. Современный человек много времени проводит в автотранспорте и уровень шума в салоне автомобиля напрямую определяет его качество жизни. Для стран Восточной Азии вопрос контроля шума актуален для линий сверхвысокоскоростных железных дорог».

Пористые материалы – прекрасный звукоизолятор, но их шумопоглощающие ствойства  можно значительно усилить с помощью нанопористых гранул, которые вводятся в структуру материала и формируют в нём внутренние каналы. Алексей Завьялов разработал подходы для насыщения макропористого материала нанопористыми гранулами.

ОПАСНОСТЬ НИЗКОЧАСТОТНЫХ ШУМОВ

Вместе со стремительным развитием нанотехнологий, в науке было предпринято много попыток объединить микро и нано-материалы с целью получить модифицированный материал с улучшенными прочностными, эластичными, динамическими и вибрационными свойствами. Однако акустические характеристики таких материалов улучшить до сих пор не получалось.

Пенные материалы чаще всего используются в звукозащитных целях. Они обеспечивают должное качество при обоснованной стоимости, но до сегодняшнего дня были эффективны в борьбе только с высокочастотным шумом. В то же время низкие частоты могут быть гораздо более вредными для здоровья человека. 

Инфра- и низкочастотные вибрации и шум (менее 0,4 кГц), наиболее вредны и опасны для здоровья и жизнедеятельности человека. Особенно неблагоприятно их длительное воздействие, т.к. приводит к тяжелым заболеваниям и патологиям. Жалобы на такие воздействия превышают 35% от общего количества жалоб на вредные условия окружающей среды.

Разработанный российскими и корейскими учёными пенный материал продемонстрировал многообещающие результаты на средних частотах и потому теперь необходимо проведение более специализированных испытаний в области низких частот.

ДЕШЕВЛЕ И ПРОЩЕ В ПРИМЕНЕНИИ, ЧЕМ АЭРОГЕЛЬ.

Улучшенные акустические характеристики новейшей гибридной нанопены были получены за счёт дополнительного обогащения обычной звукопоглощающей пены пористыми гранулами из наночастиц кремнезема и магнетита. Пористая пена была пропитана взвесями нанопорошков в жидкости, обработана ультразвуком и просушена.

Формирующиеся гранулы из наночастиц структурно можно сравнить с широко известным классом материалов – аэрогелем. Он обладает не только прекрасными теплоизоляционными свойствами, но и хорошей шумоизоляцией. Однако аэрогели довольно дорогостоящи и сложны при использовании в конструкциях. Новый материал, созданный по разработанной сотрудником ДВФУ схеме, структурно схож с аэрогелем, однако лишён его недостатков – высокой цены и инженерных проблем.

КОМПОЗИТНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ

Механизм звукопоглощения новой пены основан на том, что её звукопоглощающая поверхность многократно увеличивается благодаря наличию во введённых частицах большого количества нанопор, а также расположению этих частиц в матрице пены в виде своеобразных каналов. Наночастицы поглощают энергию звуковой волны, превращая её в тепло. Вместе с этим возрастают звукозащитные свойства материала.

Учёные пришли к выводу, что композитная конструкция наиболее эффективна для шумоподавления. Тонкие слои пены, обогащённые наночастицами, соединяются между собой в «сэндвич». Такая конструкция существенно улучшает звукозащитные свойства полученного материала. Результаты исследования также говорят о том, что чем больше пенистый материал обогащён наночастицами, тем лучше он подавляет звук.

«Любой материал в некотором приближении можно представить сетью связанных между собой пружинками грузов. Такая механическая система всегда имеет собственные полосы частот, на которых колебания распространяются в системе относительно свободно, и запрещённые полосы частот, на которых колебания быстро угасают в системе. С этой позиции эффективно погасить передачу колебаний, в том числе звуковых, возможно, если чередовать материалы таким образом, чтобы свободно распространяющиеся в первом материале колебания оказывались в запрещённой полосе для второго слоя, – комментирует постдок ДВФУ Алексей Завьялов. – Конечно, для разработанного пенного материала такая идеализация является слишком грубой. Однако она позволяет наглядно проиллюстрировать фундаментально обусловленную необходимость создания «сэндвич»-структур».

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Исследование показало эффективность метода обогащения пен составами нанокремнезёма или наномагнетита, формирующих гранулы до нескольких сотен микрометров (в соответствии с размерами пор модифицируемого пенного материала) и обладающих порами около 15 нм. Это небольшое дополнение обеспечило более сложную и разветвлённую 3D-сеть наноканалов, что привело к дополнительному поглощению шумовой энергии.

Благодаря использованному подходу была достигнута эффективность шумопоглощения в диапазоне 2,0-6,3 кГц и на более низких частот 0,5-1,6 кГц. Степень поглощения была увеличена на 60-100 % и звукопередача была снижена на 20-22 дБ, вне зависимости от типа нанонаполнителя.

«Сейчас обсуждается возможность дальнейшего улучшения звукозащитных свойств полученного материала в отношении средних и низких частот с помощью стратегии «активного контроля». - Комментирует планы дальнейшего развития столь важной научной темы Алексей Завьялов. - Прежде всего, это относится к материалам, полученным при использовании нанопорошка магнетита. Системы активного шумоподавления давно используются в мире. Суть их заключается в том, чтобы в режиме «онлайн» определять шумовые акустические поля и с помощью динамиков генерировать звуковые волны в противофазе, что позволяет добиться существенного уменьшения уровня шума в заданной области. В случае с нанопеной предлагается адаптировать этот подход и оказывать активное воздействие магнитными полями на материал, насыщенный гранулами из наночастиц магнетита. Это позволит добиться ещё лучшего шумоподавления».

* Дальневосточный федеральный университет

Институт гидродинамики им. М. А. Лаврентьева СО РАН

Институт теоретической и прикладной механики им. С. А. Христиановича СО РАН

Институт ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН

Новосибирский государственный технический университет

** Ульсанский университет (University of Ulsan)

Данные по публикации результатов исследования:

исследование поддержано грантом Российского научного фонда (17-19-01389);

опубликовано в журнале «Прикладная акустика» («Applied Acoustics»,

DOI 10.1016/j.apacoust.2018.04.024).