Forskere udvikler akustisk metamateriale, der annullerer lyd

Boston University forskere, Xin Zhang, professor ved Ingeniørhøjskolen, og Reza Ghaffarivardavagh, en ph.d. studerende på Institut for Maskinteknik, frigivet et papir i Fysisk gennemgang B demonstrere, at det er muligt at dæmpe støj ved hjælp af en åben, ringlignende struktur, skabt til matematisk perfekte specifikationer, til at afbryde lyde, samtidig med at luftstrømmen opretholdes.

"Dagens lydbarrierer er bogstaveligt talt tykke tunge mure, "siger Ghaffarivardavagh. Selvom støjreducerende barrikader, kaldes lydbaffler, kan hjælpe med at overdøve myldretiden i myldretiden eller indeholde musikens symfoni inden for koncertsalens vægge, de er en klodset tilgang, der ikke er velegnet til situationer, hvor luftstrøm også er kritisk. Forestil dig at spærre en jetmotors udstødningsventil - flyet ville aldrig forlade jorden. I stedet, arbejdere på asfalten bærer ørepropper for at beskytte deres hørelse mod det øredøvende brøl.

Ghaffarivardavagh og Zhang lader matematik-en fælles passion, der har bøjede begge deres ingeniørkarriere og gjort dem velegnede forskningspartnere-vejlede dem mod et brugbart design til, hvordan det akustiske metamateriale ville se ud.

De beregnede de dimensioner og specifikationer, som metamaterialet skulle have for at interferere med de transmitterede lydbølger, forhindrer lyd - men ikke luft - i at blive udstrålet gennem den åbne struktur. Den grundlæggende forudsætning er, at metamaterialet skal formes på en sådan måde, at det sender indgående lyde tilbage til, hvor de kom fra, de siger.

Som en test sag, de besluttede at skabe en struktur, der kunne dæmpe lyden fra en højttaler. Baseret på deres beregninger, de modellerede de fysiske dimensioner, der mest effektivt ville dæmpe støj. Giver disse modeller liv, de brugte 3D-udskrivning til at realisere en åben, støjreducerende struktur lavet af plast.

Prøver det i laboratoriet, forskerne forseglede højttaleren i den ene ende af et PVC -rør. I den anden ende, det skræddersyede akustiske metamateriale blev fastgjort i åbningen. Med et tryk på afspilningsknappen, den eksperimentelle højttaleropsætning kom så stille til live i laboratoriet. Stående i rummet, baseret på din sans for at høre alene, du ville aldrig vide, at højttaleren sprængte en irriterende høj tone. Hvis, imidlertid, du kiggede ind i PVC -røret, du ville se højttalerens subwoofere trumme væk.

Metamaterialet, ringer rundt om den indre omkreds af rørets mund, fungerede som en mute -knap inkarneret indtil det øjeblik, hvor Ghaffarivardavagh rakte ned og trak den fri. Laboratoriet ekko pludselig med skrigende højttalers melodi.

"I det øjeblik vi først placerede og fjernede lyddæmperen ... var bogstaveligt talt nat og dag, siger Jacob Nikolajczyk, som udover at være studiemedlem og tidligere bachelorforsker i Zhangs laboratorium er en lidenskabelig vokalartist. "Vi havde set den slags resultater i vores computermodellering i flere måneder - men det er en ting at se modellerede lydtryksniveauer på en computer, og en anden for selv at høre dens indvirkning. "

Ved at sammenligne lydniveauer med og uden metamaterialet fastgjort på plads, holdet fandt ud af, at de kunne stille næsten alle - 94 procent for at være præcise - tavshed om støjen, gør lydene, der kommer fra højttaleren, umærkelige for det menneskelige øre.

Nu hvor deres prototype har vist sig så effektiv, forskerne har nogle store ideer om, hvordan deres akustisk lyddæmpende metamateriale kan fungere og gøre den virkelige verden mere støjsvag.

"Droner er et meget varmt emne, "Siger Zhang. Virksomheder som Amazon er interesserede i at bruge droner til at levere varer, hun siger, og "folk klager over den potentielle støj."

"Synderen er den opadgående ventilatorbevægelse, "Siger Ghaffarivardavagh." Hvis vi kan placere lyddæmpende åbne strukturer under droneblæserne, vi kan annullere lyden, der stråler mod jorden. "

Tættere på hjemmet - eller på kontoret - kunne ventilatorer og HVAC -systemer drage fordel af akustiske metamaterialer, der gør dem tavse, men stadig gør det muligt at cirkulere varm eller kold luft uden behæftning i en bygning.

Ghaffarivardavagh og Zhang peger også på det usynlige i de lydbarrierer, der bruges i dag til at reducere støjforurening fra trafikken og se plads til en æstetisk opgradering. "Vores struktur er super let, åben, og smuk. Hvert stykke kunne bruges som en flise eller mursten til at skalere op og opbygge en lyddæmpende, gennemtrængelig væg, " de siger.

Formen af ​​akustisk dæmpende metamaterialer, baseret på deres metode, er også fuldstændigt tilpasselig, Siger Ghaffarivardavagh. Den ydre del behøver ikke at have en rund ringform for at fungere.

"Vi kan designe den ydre form som en terning eller sekskant, virkelig noget, "siger han." Når vi vil lave en væg, vi vil gå til en sekskantet form", der kan passe sammen som en udendørs honeycomb-struktur.

Sådanne vægge kan hjælpe med at indeholde mange typer støj. Selv dem fra de intense vibrationer i en MR -maskine, Siger Zhang.

Ifølge Stephan Anderson, en professor i radiologi ved BU School of Medicine og en medforfatter af undersøgelsen, det akustiske metamateriale kunne potentielt skaleres "til at passe ind i den centrale boring af en MR-maskine, "at beskytte patienterne mod lyden under billeddannelsesprocessen.

Zhang siger, at mulighederne er uendelige, da støjdæmpningsmetoden kan tilpasses, så den passer til næsten ethvert miljø:"Idéen er, at vi nu matematisk kan designe et objekt, der kan blokere lyden af ​​hvad som helst, " hun siger.