I ricercatori hanno progettato un tessuto sottile come un capello per creare un meccanismo leggero, compatto ed efficiente per ridurre la trasmissione del rumore in una stanza di grandi dimensioni.

 

 

Viviamo in un mondo molto rumoroso. Dal ronzio del traffico fuori dalla finestra alla TV a tutto volume del vicino di casa ai suoni provenienti dal cubicolo di un collega, il rumore indesiderato rimane un problema clamoroso.

Per ridurre il frastuono, una collaborazione interdisciplinare di ricercatori del MIT e di altri paesi ha sviluppato un tessuto di seta fonoassorbente che potrebbe essere utilizzato per creare spazi silenziosi.

Il tessuto, che è appena più spesso di un capello umano, contiene una fibra speciale che vibra quando viene applicata una tensione. I ricercatori hanno sfruttato queste vibrazioni per sopprimere il suono in due modi diversi.

In uno, il tessuto vibrante genera onde sonore che interferiscono con un rumore indesiderato per annullarlo, in modo simile alle cuffie con cancellazione del rumore, che funzionano bene in uno spazio piccolo come le orecchie ma non funzionano in grandi involucri come stanze o aerei.

Nell’altra tecnica, più sorprendente, il tessuto viene tenuto fermo per sopprimere le vibrazioni che sono fondamentali per la trasmissione del suono.

In questo modo si evita che il rumore si trasmetta attraverso il tessuto e si attenua il volume al di là. Questo secondo approccio consente la riduzione del rumore in spazi molto più ampi come stanze o automobili.

Utilizzando materiali comuni come la seta, la tela e la mussola, i ricercatori hanno creato tessuti per la soppressione del rumore che sarebbero pratici da implementare negli spazi del mondo reale.

Ad esempio, si potrebbe utilizzare un tessuto di questo tipo per creare divisori in spazi di lavoro aperti o pareti di tessuto sottili che impediscono al suono di passare.

L’autore principale dello studio è Grace (Noel) Yang SM ’21, PhD ’24. I co-autori includono gli studenti laureati del MIT Taigyu Joo, Hyunhee Lee, Henry Cheung e Yongyi Zhao; Zachary Smith, Robert N. Noyce Career Development Professor di Ingegneria Chimica al MIT; il dottorando Guanchun Rui e il professor Lei Zhu della Case Western University; lo studente laureato Jinuan Lin e l’assistente professore Chu Ma dell’Università del Wisconsin a Madison; e Latika Balachander, studentessa laureata presso la Rhode Island School of Design.

Un articolo ad accesso aperto sulla ricerca è apparso di recente su Advanced Materials.

“Il rumore è molto più facile da creare rispetto al silenzio. Infatti, per tenere fuori il rumore dedichiamo molto spazio ai muri spessi. Il lavoro di Grace fornisce un nuovo meccanismo per creare spazi tranquilli con un sottile foglio di tessuto”, afferma Yoel Fink, professore nei dipartimenti di Scienza e Ingegneria dei Materiali e Ingegneria Elettrica e Informatica, ricercatore principale del Laboratorio di Ricerca di Elettronica e autore senior di un articolo sul tessuto.

Silenzio setoso

La seta fonoassorbente si basa sul lavoro precedente del gruppo per creare microfoni in tessuto.

In quella ricerca, hanno cucito un singolo filo di fibra piezoelettrica nel tessuto.

I materiali piezoelettrici producono un segnale elettrico quando vengono schiacciati o piegati.

Quando un rumore vicino fa vibrare il tessuto, la fibra piezoelettrica converte tali vibrazioni in un segnale elettrico, che può catturare il suono.

Nel nuovo lavoro, i ricercatori hanno ribaltato quell’idea per creare un altoparlante in tessuto che può essere utilizzato per annullare le onde sonore.

“Anche se possiamo usare il tessuto per creare suoni, c’è già così tanto rumore nel nostro mondo. Abbiamo pensato che creare silenzio potesse essere ancora più prezioso”, afferma Yang.

L’applicazione di un segnale elettrico alla fibra piezoelettrica ne provoca la vibrazione, che genera il suono.

I ricercatori lo hanno dimostrato suonando “Air” di Bach utilizzando un foglio di seta di 130 micrometri montato su un telaio circolare.

Per consentire la soppressione diretta del suono, i ricercatori utilizzano un altoparlante in tessuto di seta per emettere onde sonore che interferiscono in modo distruttivo con le onde sonore indesiderate.

Controllano le vibrazioni della fibra piezoelettrica in modo che le onde sonore emesse dal tessuto siano opposte alle onde sonore indesiderate che colpiscono il tessuto, che possono annullare il rumore.

Tuttavia, questa tecnica è efficace solo su una piccola area.

Quindi, i ricercatori hanno sviluppato questa idea per sviluppare una tecnica che utilizza le vibrazioni del tessuto per sopprimere il suono in aree molto più grandi, come una camera da letto.

Supponiamo che i tuoi vicini di casa stiano giocando a biliardino nel cuore della notte.

Senti un rumore nella tua camera da letto perché il suono nel loro appartamento fa vibrare il tuo muro condiviso, che forma onde sonore dalla tua parte.

Per sopprimere quel suono, i ricercatori potrebbero posizionare il tessuto di seta sul lato del muro condiviso, controllando le vibrazioni nella fibra per costringere il tessuto a rimanere fermo.

Questa soppressione mediata dalle vibrazioni impedisce la trasmissione del suono attraverso il tessuto.

“Se siamo in grado di controllare queste vibrazioni e impedire che accadano, possiamo anche fermare il rumore che viene generato”, dice Yang.

Uno specchio per il suono

Sorprendentemente, i ricercatori hanno scoperto che tenere fermo il tessuto fa sì che il suono venga riflesso dal tessuto, risultando in un sottile pezzo di seta che riflette il suono come fa uno specchio con la luce.

I loro esperimenti hanno anche rivelato che sia le proprietà meccaniche di un tessuto che la dimensione dei suoi pori influenzano l’efficienza della generazione del suono.

Mentre la seta e la mussola hanno proprietà meccaniche simili, le dimensioni dei pori più piccole della seta lo rendono un altoparlante in tessuto migliore.

Ma la dimensione effettiva dei pori dipende anche dalla frequenza delle onde sonore. Se la frequenza è abbastanza bassa, anche un tessuto con pori relativamente grandi potrebbe funzionare in modo efficace, dice Yang.

Quando hanno testato il tessuto di seta in modalità di soppressione diretta, i ricercatori hanno scoperto che poteva ridurre significativamente il volume dei suoni fino a 65 decibel (più o meno quanto una conversazione umana entusiasta). In modalità di soppressione mediata dalle vibrazioni, il tessuto potrebbe ridurre la trasmissione del suono fino al 75%.

Questi risultati sono stati possibili solo grazie a un solido gruppo di collaboratori, afferma Fink. Gli studenti laureati della Rhode Island School of Design hanno aiutato i ricercatori a comprendere i dettagli della costruzione dei tessuti; gli scienziati dell’Università del Wisconsin a Madison hanno condotto simulazioni;

i ricercatori della Case Western Reserve University hanno caratterizzato i materiali; e gli ingegneri chimici dello Smith Group del MIT hanno utilizzato la loro esperienza nella separazione delle membrane gassose per misurare il flusso d’aria attraverso il tessuto.

Andando avanti, i ricercatori vogliono esplorare l’uso del loro tessuto per bloccare il suono di più frequenze.

Ciò richiederebbe probabilmente un’elaborazione del segnale complessa e un’elettronica aggiuntiva.

Inoltre, vogliono studiare ulteriormente l’architettura del tessuto per vedere come cambiare cose come il numero di fibre piezoelettriche, la direzione in cui sono cucite o le tensioni applicate potrebbe migliorare le prestazioni.

“Ci sono molte manopole che possiamo girare per rendere questo tessuto insonorizzante davvero efficace. Vogliamo che le persone pensino al controllo delle vibrazioni strutturali per sopprimere il suono. Questo è solo l’inizio”, afferma Yang.

 

Immagine:  Yoel Fink and Grace (Noel) Yang