Die Welt wird immer lauter. Vom Verkehrslärm vor Ihrem Fenster über den dröhnenden Fernseher des Nachbarn bis hin zu den Geräuschen aus der Kabine eines Kollegen – unerwünschter Lärm bleibt ein großes Problem.
Unabhängig davon, ob absichtlich Schallwellen erzeugt werden oder unerwünschter Lärm abgemildert werden soll, stellt die Schalldämmung einen Bereich voller Herausforderungen und Chancen dar.
Bei der aktiven Geräuschunterdrückung handelt es sich um die Schallunterdrückung bei geringer Lautstärke und hat sich zu einem wichtigen Einsatzgebiet für Kopf- und Ohrhörer entwickelt, bei denen nur ein kleiner ruhiger Bereich in der Nähe des Trommelfells benötigt wird. Die volumetrische Schallunterdrückung wird in großem Maßstab, beispielsweise in einem Raum, meist durch passive Methoden wie Schallreflexion durch Materialien mit hoher akustischer Impedanz oder Schallabsorption, meist durch isolierende Faserstrukturen oder Schaumstoffe, umgesetzt.
Lässt sich Lärm mit einem Stoff dämpfen, der nicht dicker als ein menschliches Haar ist? Forscher des Massachusetts Institute of Technology (MIT) behaupten, diese erstaunliche Leistung vollbracht zu haben. Eine interdisziplinäre Zusammenarbeit zwischen Forschern des renommierten Instituts und Kollegen anderer renommierter US-Universitäten hat einen schalldämpfenden Seidenstoff entwickelt, mit dem sich ruhige Räume schaffen lassen.
Das Geheimnis liegt in der Faser
Der Stoff enthält spezielle Fasern, die vibrieren, wenn eine elektrische Spannung an ihn angelegt wird. Forscher haben sich diese Vibrationen zunutze gemacht, um Schall auf zwei verschiedene Arten zu unterdrücken. Zum einen erzeugt das vibrierende Gewebe Schallwellen, die unerwünschte Geräusche stören und so unterdrücken, ähnlich wie Kopfhörer mit Geräuschunterdrückung, die in kleinen Räumen wie Ihren Ohren gut funktionieren, in großen Räumen wie Räumen oder Flugzeugen jedoch nicht funktionieren.
Die andere, überraschendere Technologie besteht darin, das Gewebe zu stabilisieren, um Vibrationen zu unterdrücken, die für die Schallübertragung unerlässlich sind. Dadurch wird die Geräuschübertragung durch den Stoff verhindert und der Schall von außen gedämpft. Dieser zweite Ansatz ermöglicht eine Lärmreduzierung in größeren Räumen wie Räumen oder Autos.
Unter Verwendung gängiger Materialien wie Seide, Stoff und Musselin haben Forscher geräuschdämpfende Stoffe geschaffen, die praktisch in realen Umgebungen eingesetzt werden können. Mit solchen Stoffen kann man beispielsweise Trennwände in offenen Arbeitsräumen oder dünne Stoffwände schaffen, die den Schalldurchtritt verhindern.
„Es ist viel einfacher, Lärm zu erzeugen, als Ruhe zu schaffen. Um Lärm fernzuhalten, haben wir dicken Wänden einen neuen Mechanismus zur Schaffung ruhiger Räume mit einer dünnen Stoffschicht zugewiesen“, sagte Professor Yoel Fink, Professor für Materialwissenschaft und Werkstofftechnik und Hauptautor der Studie.
Die Hauptautorin der Studie war Dr. Grace (Noelle) Yang, und zu ihrem Team gehörten MIT-Absolventen und Chemieingenieurprofessor Zachary Smith; Doktoranden an der Case Western University in Cleveland, Ohio; Professor Zhou Ma von der University of Wisconsin, Madison; und ein Doktorand an der Rhode Island School of Design.
Ihre Studie ist gerade in der Fachzeitschrift erschienen Fortgeschrittene Werkstoffe Unter dem Titel „Einlagige Seiden- und Baumwollgewebe zur akustischen Emission und aktiven Schalldämpfung“.
In früheren Forschungen haben sie einen einzelnen Strang aus piezoelektrischer Faser eingenäht, der beim Zusammendrücken oder Biegen ein elektrisches Signal in den Stoff erzeugt. Wenn Umgebungsgeräusche den Stoff zum Vibrieren bringen, wandeln piezoelektrische Fasern diese Vibrationen in ein elektrisches Signal um, das den Schall aufnehmen kann.
In ihrer neuen Studie haben die Forscher die Idee auf den Kopf gestellt, einen Stofflautsprecher zu entwickeln, der zur Unterdrückung von Schallwellen verwendet werden kann. Durch Anlegen eines elektrischen Signals an die piezoelektrische Faser wird diese in Schwingung versetzt und erzeugt so Schall. Dies demonstrierten die Forscher, indem sie Bachs „Air“ mit einem 130 Mikrometer langen Stück Seide spielten, das auf einem kreisförmigen Rahmen befestigt war.
„Obwohl wir Stoffe verwenden können, um Geräusche zu erzeugen, gibt es in unserer Welt bereits viel Lärm. Wir dachten, dass es wertvoller sein könnte, Stille zu schaffen“, erklärte Yang.
Um eine direkte Schallunterdrückung zu ermöglichen, verwenden Forscher einen Hochtöner aus Seidenstoff, der Schallwellen aussendet, die unerwünschte Schallwellen destruktiv stören. Es steuert die Schwingungen piezoelektrischer Fasern, sodass den vom Stoff ausgehenden Schallwellen unerwünschte Schallwellen entgegenwirken, die auf den Stoff treffen, wodurch der Lärm aufgehoben werden kann – diese Technologie ist jedoch nur in einem kleinen Bereich wirksam. Daher entwickelten die Forscher auf dieser Idee eine Technologie, die Stoffvibrationen nutzt, um Geräusche in viel größeren Bereichen wie dem Schlafzimmer zu unterdrücken.
Nehmen wir an, Ihre Nachbarn schauen mitten in der Nacht eine lautstarke Sportsendung im Fernsehen. Sie hören Lärm in Ihrem Schlafzimmer, weil der Lärm in ihrer Wohnung Ihre gemeinsame Wand zum Vibrieren bringt und auf Ihrer Seite Schallwellen erzeugt.
Um dieses Geräusch zu unterdrücken, können Sie den Seidenstoff auf Ihrer Seite einer gemeinsamen Wand platzieren und die Vibrationen in den Fasern kontrollieren, um den Stoff zu zwingen, still zu bleiben. Diese Vibrationsunterdrückung verhindert, dass Schall durch das Gewebe übertragen wird. „Wenn wir diese Vibrationen kontrollieren und verhindern können, dass sie auftreten, können wir auch den daraus resultierenden Lärm stoppen“, fügte Yang hinzu.
Überraschenderweise fanden die Forscher heraus, dass das Halten des Stoffes dazu führt, dass Schall durch den Stoff reflektiert wird, was zu einem dünnen Stück Seide führt, das Schall reflektiert, wie ein Spiegel Licht reflektiert.
Ihre Experimente zeigten auch, dass die mechanischen Eigenschaften des Gewebes und seine Porengröße die Effizienz der Schallerzeugung beeinflussen. Während Seide und Musselin ähnliche mechanische Eigenschaften haben, ist Seide aufgrund ihrer kleineren Porengröße ein besserer Verstärker als Stoff.
Die effektive Porengröße hängt aber auch von der Frequenz der Schallwellen ab. Wenn die Frequenz niedrig genug ist, können sogar Stoffe mit relativ großen Poren effektiv arbeiten, sagte Yang.
Als sie den Seidenstoff im Direktunterdrückungsmodus testeten, stellten die Forscher fest, dass er die Lautstärke von Geräuschen deutlich um bis zu 65 Dezibel reduzieren konnte (ungefähr so laut wie enthusiastische menschliche Gespräche). Im Vibrationsunterdrückungsmodus kann der Stoff die Schallübertragung um bis zu 75 % reduzieren.
In Zukunft wollen die Teammitglieder erforschen, wie sie ihren Stoff nutzen können, um Mehrfrequenzschall zu blockieren. Dies würde wahrscheinlich eine komplexe Signalverarbeitung und zusätzliche Elektronik erfordern. Sie wollen auch die Struktur des Gewebes untersuchen, um herauszufinden, wie sich die Leistung verbessern lässt, wenn sich beispielsweise die Anzahl der piezoelektrischen Fasern, die Richtung, in der sie gewebt werden, oder die angelegten Spannungen ändern.
„Es gibt viele Knöpfe, an denen wir drehen können, um dieses schalldichte Gewebe wirklich wirksam zu machen. Wir möchten die Menschen dazu bringen, darüber nachzudenken, strukturelle Vibrationen zu kontrollieren, um Schall zu unterdrücken“, schloss Yang.
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