The Noise Problem and MIT’s Innovative Solution
We live in a world filled with constant noise. From the hum of traffic outside to a neighbor’s blaring TV or the chatter in a co-worker’s cubicle, unwanted noise is an ongoing challenge.
To address this issue, a team of interdisciplinary researchers from MIT and other institutions has developed an innovative silk fabric designed to suppress sound and create quieter spaces.
This fabric, as thin as a human hair, features a special fiber that vibrates when voltage is applied. The researchers utilized these vibrations to suppress sound in two distinct ways.
The first method uses the fabric to generate sound waves that interfere with and cancel out unwanted noise, much like noise-canceling headphones. However, while effective in small areas, this technique is less practical in larger spaces like rooms or airplanes.
The second, more surprising technique involves keeping the fabric still, which blocks the vibrations that transmit sound. By halting this sound transmission, the fabric significantly reduces noise in larger areas, making it ideal for spaces like rooms or vehicles.
Practical Applications and Expert Insights
By using common materials like silk, canvas, and muslin, the researchers created noise-suppressing fabrics that would be practical to implement in real-world spaces. For instance, one could use such a fabric to make dividers in open workspaces or thin fabric walls that prevent sound from getting through.
“Noise is a lot easier to create than quiet. In fact, to keep noise out we dedicate a lot of space to thick walls. [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 został opublikowany w Zaawansowane materiały.
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 bardziej wartościowe” – mówi Yang.
Nauka o tłumieniu dźwięku
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.
Kontrola hałasu w praktyce
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 również zatrzymać 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.
Ale 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.
Przyszłe kierunki i postęp technologiczny
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.
„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” – mówi Yang.
Odniesienie: „Jednowarstwowe tkaniny jedwabne i bawełniane do emisji akustycznej i aktywnego tłumienia dźwięku” autorstwa: Grace H. Yang, Jinuan Lin, Henry Cheung, Guanchun Rui, Yongyi Zhao, Latika Balachander, Taigyu Joo, Hyunhee Lee, Zachary P. Smith, Lei Zhu, Chu Ma i Yoel Fink, 1 kwietnia 2024 r., Zaawansowane materiały.
DOI: 10.1002/adma.202313328
Prace te są częściowo finansowane przez Narodową Fundację Nauki (NSF), Biuro Badań Armii (ARO), Agencję Redukcji Zagrożeń Obronnych (DTRA) i Fundację Badań Absolwentów Wisconsin.
