Hangszigetelő selyemmel védekeznének a zajok ellen
Nagyon zajos világban élünk. Az ablakunk előtt zajló forgalom zúgásától kezdve a szomszéd bömbölő tévéjén át a munkatársak fülkéjéből érkező hangokig, a nem kívánt zaj továbbra is nagy problémát jelent.
A Massachusetts Institute of Technology (MIT) kutatói más intézmények szakembereivel együttműködve olyan selyemszövetet fejlesztett ki, amellyel megszüntethetők a zajok. A kutatók a hajszálvékony szövet révén könnyű, kompakt és hatékony mechanizmust hoztak létre, mely képes a zajátvitel csökkentésére egy nagy helyiségben.
Az emberi hajszálnál alig vastagabb szövet olyan speciális szálakat tartalmaz, amelyek elektromos töltés hatására rezegni kezdenek. A kutatók ezeket a rezgéseket arra használták fel, hogy két különböző módon nyomják el a zajt.
Az egyikben a rezgő szövet hanghullámokat generál. A rezgés hanghullámokat bocsát ki, amely kioltja a hasonló frekvenciájú hangokat. Ez a zajszűrő – a fejhallgatókhoz hasonlóan – kis helyen, például a fülkében működik jól, de nagyobb zárt térben, például szobákban vagy repülőgépeken már nem hatásos.
A másik, meglepőbb technikánál a szövetet mozdulatlanul tartják, hogy elnyomják a rezgéseket, amelyek kulcsfontosságúak a hang átviteléhez. A szövet nyugalmi állapotban képes visszaverni a hangot. Az erős védőréteg ugyanis megakadályozza, hogy a zaj átjusson a falakon vagy térelválasztókon. Ez a megközelítés lehetővé teszi a zajcsökkentést sokkal nagyobb terekben, például szobákban vagy autókban.
A kutatók közönséges anyagok (selyem, vászon és muszlin) felhasználásával hozták létre a zajszűrő szöveteket, amelyeket praktikus lenne valós terekben alkalmazni. Ilyen szövetből például nyitott munkaterekben elválasztófalakat vagy vékony szövetfalakat lehetne készíteni, amelyek megakadályozzák a hangok áthatolását.
„A zajt sokkal könnyebb létrehozni, mint a csendet. A zaj távoltartása érdekében sok helyet szentelünk a vastag falaknak. Grace (a szerző) munkája egy vékony szövetlap segítségével kínál egy új mechanizmust – megoldást – a csendes terek létrehozására” – mondja Yoel Fink, az Anyagtudomány és mérnöki, valamint a Villamosmérnöki és Informatikai Tanszék professzora, az Elektronikai Kutatási Laboratórium vezető kutatója és a szövetről szóló tanulmány egyik szerzője.
A tanulmány vezető szerzője Grace Yang. A társszerzők között vannak az MIT végzős hallgatói: Taigyu Joo, Hyunhee Lee, Henry Cheung és Yongyi Zhao; Zachary Smith, Robert N. Noyce, az MIT karrierfejlesztési professzora a vegyészmérnöki tudományok területén; Guanchun Rui végzős hallgató és Lei Zhu professzor a Case Western Universityről; Jinuan Lin végzős hallgató és Chu Ma adjunktus a Wisconsini Egyetemről Madisonból; valamint Latika Balachander, a Rhode Island School of Design végzős hallgatója. A kutatásról a közelmúltban nyílt hozzáférésű tanulmány jelent meg az Advanced Materials című folyóiratban.
Selymes csend
A hangszigetelő selyem a csoport korábbi, szövetmikrofonok létrehozására irányuló munkájára épül.
A kutatás során egyetlen szál piezoelektromos szálat varrtak szövetbe. A piezoelektromos anyagok elektromos jelet bocsátanak ki, ha összenyomják vagy meghajlítják őket. Amikor egy közeli zaj rezgésbe hozza a szövetet, a piezoelektromos szál ezeket a rezgéseket elektromos jellé alakítja át, amely képes rögzíteni a hangot.
Az új munkában a kutatók ezt az ötletet megfordították, és olyan „szövethangszórót” hoztak létre, amely a hanghullámok megszüntetésére használható.
„A szövetet használhatjuk hangok létrehozására, de a világunkban már így is rengeteg zaj van. Úgy gondoltuk, hogy a csend megteremtése még értékesebb lehet” – mondja Yang.
Ha a piezoelektromos szálra elektromos jelet adunk, az rezegni kezd, ami hangot generál. A kutatók ezt Bach „Air” című művének lejátszásával demonstrálták egy 130 mikrométeres, kör alakú keretre szerelt selyemlap segítségével.
A közvetlen hangelnyomást lehetővé téve a kutatók selyemszövetből készült hangszórót használnak, amely olyan hanghullámokat bocsát ki, amelyek destruktív módon zavarják a nem kívánt hanghullámokat. Úgy szabályozzák a piezoelektromos szál rezgéseit, hogy a szövet által kibocsátott hanghullámok ellentétesek legyenek a szövetbe csapódó nem kívánt hanghullámokkal – ennek eredményeként a zaj megszüntethető.
Ez a technika azonban csak kis területen hatékony. Ezért a kutatók erre az ötletre építve kifejlesztettek egy olyan technikát, amely sokkal nagyobb területeken (például egy hálószobában) használja a szövet rezgéseit a hang elnyomására.
Tegyük fel, hogy a szomszédok az éjszaka közepén csocsóznak. Zajt hallasz a hálószobádban, mert az ő lakásukban lévő hangok rezgésbe hozzák a közös faladat, ami hanghullámokat képez a te oldaladon.
A hang elnyomása érdekében a kutatók a selyemszövetet a közös fal egyik oldalára helyezték, és a szálban lévő rezgéseket úgy szabályozták, hogy a szövetet mozdulatlanságra kényszerítsék. Ez a rezgés által közvetített elnyomás megakadályozza, hogy a hang átjusson (a szomszédtól) a szöveten keresztül.
„Ha ezeket a rezgéseket kontrollálni tudjuk, és meg tudjuk állítani, akkor a keletkező zajt is meg tudjuk állítani” – mondja Yang.
Tükörrel a zaj ellen
A kutatók a munka során több meglepő dolgot is felfedeztek. Egyik ilyen felfedezés, hogy a hang visszaverődik a mozdulatlanul tartott szövetről, vagyis a vékony selyemdarab úgy veri vissza a hangot, mint a tükör a fényt.
A kísérleteikből az is kiderült, hogy mind a szövet mechanikai tulajdonságai, mind a pórusok mérete befolyásolja a hangkeltés hatékonyságát. Bár a selyem és a muszlin mechanikai tulajdonságai hasonlóak, a selyem kisebb pórusmérete miatt jobb zajkioltó „hangszórónak” bizonyult: a hangerőt 65 decibelig (vagyis egy harsányabb emberi beszélgetés zajszintjéig) képes csökkenteni, és akár 75 százalékkal is „lehalkíthatja” a zajhatást.
Az effektív pórusméret azonban a hanghullámok frekvenciájától is függ. Ha a frekvencia elég alacsony, még egy viszonylag nagy pórusokkal rendelkező szövet is hatékonyan működhet, mondja Yang.
Amikor a selyemszövetet közvetlen elnyomó üzemmódban tesztelték, a kutatók azt találták, hogy jelentősen csökkenti a hangok hangerejét 65 decibelig (körülbelül olyan hangos, mint egy lelkes emberi beszélgetés). Vibrációval közvetített elnyomó üzemmódban a szövet akár 75 százalékkal is csökkenthette a hanghatást.
Fink szerint a munkatársak magas szintű szaktudásának köszönhetően érték el ezeket a figyelemre méltó eredményeket. A Rhode Island School of Design végzős hallgatói segítettek a kutatóknak megérteni a szövetszerkesztés részleteit; a Madison-i Wisconsini Egyetem tudósai szimulációkat végeztek; a Case Western Reserve Egyetem kutatói jellemezték az anyagokat; az MIT Smith-csoportjának vegyészmérnökei pedig a gázmembránok elválasztásában szerzett szakértelmüket használták a szöveten keresztül történő légáramlás méréséhez.
A kutatók a továbbiakban azt szeretnék megvizsgálni, hogy a különleges szövettel képesek lennének-e többféle frekvenciájú hangot is blokkolni. Ehhez valószínűleg összetett jelfeldolgozásra és további elektronikára lenne szükség.
„Számtalan lehetőség vár felfedezésre. Még csak a felszínét karcoljuk annak, hogy mit is érhet el ez a hangkioltó szövet, ami egy csendesebb, nyugodtabb világ felé vezető út kezdetét jelenti” – mondta Yang. Hozzátette: a továbbiakban azt szeretnék elérni, hogy a szövet többféle frekvenciájú hangot is tudjon blokkolni, ezenkívül szükség lesz a szövet-előállítás hatékonyságának és az anyag felépítésének javítására is.