Американские инженеры предложили способ шумоизоляции. Он отличается от привычных звукопоглощающих панелей. Это — напечатанное на 3D-принтере пластиковое кольцо.
Фото John Baer / CC BY-SA
Классические шумопоглощающие панели преграждают путь акустическим волнам и гасят звуковую энергию, часть которой преобразуется в тепло. Из-за особенностей конструкции и используемых материалов такие панели практически не пропускают воздух.
Специалисты Бостонского университета предложили «дышащее» пластиковое кольцо, которое блокирует до 94% шума. Его нарекли «акустическим метаматериалом».
Принцип работы метаматериала основан на резонансе Фано. При интерференции двух волн их энергия распределяется асимметрично. В результате в одной точке пространства звуковое давление повышается до максимальных значений, а в другой — снижается практически до нуля.
Такого распределения акустических волн исследователям из Бостонского университета удалось добиться при помощи специальной формы метаматериала — внутри кольца находится спиральный канал, по которому проходит звук. Акустические волны в этом канале отражаются от стенок, вступают в резонанс Фано и затихают.
Авторы технологии разработали прототип устройства, который распечатали на 3D-принтере и установили на трубу из поливинилхлорида, на другом конце которой расположили динамик. И хотя конец трубы с кольцом оставался открытым более чем наполовину, проходящий через него звук становился заметно тише — в действии можно увидеть в этом видео:
Одно из преимуществ технологии — разнообразие возможных форм «глушителя». По словам авторов исследования, им удалось смоделировать шумопоглощающие насадки с квадратным и шестиугольным сечением — материал такой формы предлагают использовать как строительные блоки для звукоизолирующих перегородок.
Второе достоинство — низкая себестоимость. Устройство можно изготовить из любого пластика, и оно не требует особых дорогостоящих материалов. Например, авторы технологии использовали для создания прототипов стандартный для 3D-принтеров АБС-пластик и эпоксидную смолу.
Но у изобретения есть очевидный недостаток — потребность в индивидуальном расчёте. Каждое устройство проектируется под конкретные частоты и размеры, поэтому массово создавать универсальные кольца не получится.
Направление акустических метаматериалов развивается уже на протяжении нескольких лет. И работают в этой области не только исследователи из Бостона. В качестве аналога можно привести устройство инженеров из Франции — в 2016 году они создали панель толщиной в 1 см, блокирующую низкие частоты. Обычно для подавления низких частот требуются панели толщиной до 10 см.
Французское изобретение состоит из рядов небольших камер-резонаторов Гельмгольца, которые заглушают проходящие звуки. По словам авторов решения, его можно использовать для шумоизоляции в зданиях и транспорте — панели занимают мало места и немного весят, но при этом блокируют почти 100% звуков.
Ещё один акустический метаматериал разработали в Университете Южной Калифорнии. Он представляет собой решетчатую структуру из пластика с частицами железа, созданную при помощи 3D-принтера. Под воздействием магнитного поля эти частицы перемещаются, что меняет структуру материала и его акустические характеристики.
Фото Shunichi kouroki / CC BY
Считается, что разработки в сфере акустических метаматериалов расширят возможную область применения звукоизоляции. Исследователи ожидают, что инновации в сфере шумопоглощения помогут сделать городской экосистему более комфортной: метаматериалы можно будет использовать для строительства шумозащитных экранов вдоль крупных автомагистралей.
Дополнительное чтение — мы подготовили мини-дайджест с материалами из нашего «Мира Hi-Fi», которые посвящены тишине и борьбе с шумовым загрязнением:
Фото John Baer / CC BY-SA
Новый способ «поглощения» звука
Классические шумопоглощающие панели преграждают путь акустическим волнам и гасят звуковую энергию, часть которой преобразуется в тепло. Из-за особенностей конструкции и используемых материалов такие панели практически не пропускают воздух.
Специалисты Бостонского университета предложили «дышащее» пластиковое кольцо, которое блокирует до 94% шума. Его нарекли «акустическим метаматериалом».
Принцип работы метаматериала основан на резонансе Фано. При интерференции двух волн их энергия распределяется асимметрично. В результате в одной точке пространства звуковое давление повышается до максимальных значений, а в другой — снижается практически до нуля.
Такого распределения акустических волн исследователям из Бостонского университета удалось добиться при помощи специальной формы метаматериала — внутри кольца находится спиральный канал, по которому проходит звук. Акустические волны в этом канале отражаются от стенок, вступают в резонанс Фано и затихают.
Авторы технологии разработали прототип устройства, который распечатали на 3D-принтере и установили на трубу из поливинилхлорида, на другом конце которой расположили динамик. И хотя конец трубы с кольцом оставался открытым более чем наполовину, проходящий через него звук становился заметно тише — в действии можно увидеть в этом видео:
Достоинства и недостатки
Одно из преимуществ технологии — разнообразие возможных форм «глушителя». По словам авторов исследования, им удалось смоделировать шумопоглощающие насадки с квадратным и шестиугольным сечением — материал такой формы предлагают использовать как строительные блоки для звукоизолирующих перегородок.
Второе достоинство — низкая себестоимость. Устройство можно изготовить из любого пластика, и оно не требует особых дорогостоящих материалов. Например, авторы технологии использовали для создания прототипов стандартный для 3D-принтеров АБС-пластик и эпоксидную смолу.
Но у изобретения есть очевидный недостаток — потребность в индивидуальном расчёте. Каждое устройство проектируется под конкретные частоты и размеры, поэтому массово создавать универсальные кольца не получится.
Аналоги изобретения
Направление акустических метаматериалов развивается уже на протяжении нескольких лет. И работают в этой области не только исследователи из Бостона. В качестве аналога можно привести устройство инженеров из Франции — в 2016 году они создали панель толщиной в 1 см, блокирующую низкие частоты. Обычно для подавления низких частот требуются панели толщиной до 10 см.
Французское изобретение состоит из рядов небольших камер-резонаторов Гельмгольца, которые заглушают проходящие звуки. По словам авторов решения, его можно использовать для шумоизоляции в зданиях и транспорте — панели занимают мало места и немного весят, но при этом блокируют почти 100% звуков.
Ещё один акустический метаматериал разработали в Университете Южной Калифорнии. Он представляет собой решетчатую структуру из пластика с частицами железа, созданную при помощи 3D-принтера. Под воздействием магнитного поля эти частицы перемещаются, что меняет структуру материала и его акустические характеристики.
Фото Shunichi kouroki / CC BY
Выводы
Считается, что разработки в сфере акустических метаматериалов расширят возможную область применения звукоизоляции. Исследователи ожидают, что инновации в сфере шумопоглощения помогут сделать городской экосистему более комфортной: метаматериалы можно будет использовать для строительства шумозащитных экранов вдоль крупных автомагистралей.
Дополнительное чтение — мы подготовили мини-дайджест с материалами из нашего «Мира Hi-Fi», которые посвящены тишине и борьбе с шумовым загрязнением:
- Чем полезен (и опасен) окружающий нас «шум». Рассказываем о вреде, который наносит нашему здоровью шум городов и улиц и что с этим можно сделать. Также поговорим о «другой стороне медали» — полезных свойствах звуков и музыкальной терапии.
- Шума стало много, шума будет мало: звуковая гигиена в городах. Обсуждаем звуковой ландшафт современных городов. Даем советы по звукоизоляции жилья и офисов и рекомендации по выбору антишумовых гаджетов.
- Крепче спать и лучше работать — как музыка помогает бороться с шумом. Говорим о том, как музыка защищает от посторонних шумов во время сна и во время работы. А еще мы собрали рекомендации о том, как слушать музыку в рабочие часы без вреда для продуктивности и слуха. Статья будет полезна тем, кто трудится в опенспейсе или коворкинге.
- «Начать неделю правильно»: какие гаджеты помогут снизить окружающий шум и «поймать» концентрацию. Подробный разбор разных видов устройств для шумоподавления — от «классических» наушников и беруш до массивных шлемов, похожих на гаджеты из научно-фантастических фильмов.
- Наушники с активным шумоподавлением: не слышать никого, не слышать ничего. Говорим об особенностях насадок и амбушюр для наушников с повышенной звукоизоляцией, а также о тонкостях подбора гаджетов с активным шумоподавлением.
- «Не делай мне громко»: почему кафе и рестораны стали такими шумными, и что с этим делать. В общественных местах средний уровень шума на треть превышает безопасный для слуха. Рассказываем об источниках шума в ресторанах и кафе и о том, как владельцы и посетители заведений могут бороться с излишне громкими звуками в помещении.
- Как сделать звукоизоляционный потолок своими руками. Это — статья руководство, и в ней описаны все этапы: от разработки проекта до косметического ремонта. Также здесь приведен список необходимых материалов и расчёт их стоимости.
