ما در دنیایی بسیار پر سر و صدا زندگی می کنیم. از صدای وزش ترافیک خارج از پنجره گرفته تا صدای تیز تلویزیون همسایه تا صدای اتاقک همکار، صدای ناخواسته همچنان یک مشکل بزرگ است.

برای کاهش سر و صدا، یک همکاری بین رشته ای از محققان MIT و جاهای دیگر، پارچه ابریشمی را تولید کرده است که می تواند برای ایجاد فضاهای آرام از آن استفاده شود.

این پارچه که به سختی ضخیم‌تر از موی انسان است، حاوی الیاف خاصی است که با اعمال کشش به آن می‌لرزد. محققان از این ارتعاشات برای سرکوب صدا به دو روش مختلف استفاده کردند.

در یکی، پارچه ارتعاشی امواج صوتی تولید می‌کند که با سر و صدای ناخواسته تداخل می‌کند تا آن را از بین ببرد، شبیه هدفون‌های حذف نویز که در فضای کوچکی مانند گوش‌ها به خوبی کار می‌کنند اما در محوطه‌های بزرگ مانند اتاق یا هواپیما کار نمی‌کنند.

در تکنیک دیگر، شگفت‌انگیزتر، پارچه ثابت نگه داشته می‌شود تا ارتعاشات کلیدی برای انتقال صدا را کاهش دهد. این از انتقال نویز از طریق پارچه جلوگیری می کند و صدا را از آن خارج می کند. این رویکرد دوم امکان کاهش نویز را در فضاهای بسیار بزرگتر مانند اتاق ها یا اتومبیل ها فراهم می کند.

محققان با استفاده از مواد معمولی مانند ابریشم، بوم و موسلین، پارچه‌های کاهش‌دهنده سر و صدایی ساختند که برای کاربرد در فضاهای واقعی کاربردی است. به عنوان مثال، از چنین پارچه ای می توان برای ایجاد جداکننده در فضاهای باز یا دیوارهای پارچه ای نازک استفاده کرد که از نفوذ صدا جلوگیری می کند.

ایجاد سر و صدا بسیار ساده تر از سکوت است. در واقع برای جلوگیری از سر و صدا، فضای زیادی را به دیوارهای ضخیم اختصاص می دهیم. [First author] یوئل فینک، استاد گروه علوم و مهندسی مواد و مهندسی برق و علوم کامپیوتر، محقق اصلی آزمایشگاه تحقیقات الکترونیک و نویسنده ارشد این مقاله گفت: کار گریس مکانیسم جدیدی برای ایجاد فضاهای آرام با ورقه پارچه نازک ارائه می دهد. کاغذ روی پارچه

نویسنده اصلی این مطالعه Grace (Noel) Yang SM ’21, PhD ’24 است. نویسندگان همکار عبارتند از دانشجویان MIT Taigyu Joo، Hyunhee Lee، Henry Cheung و Yongyi Zhao. Zachary Smith، Robert N. Noyce، استاد توسعه شغلی مهندسی شیمی در MIT; دانشجوی فارغ التحصیل گوانچون روئی و استاد لی ژو از دانشگاه کیس وسترن. دانشجوی فارغ التحصیل جینوان لین و استادیار چو ما از دانشگاه ویسکانسین در مدیسون. و لاتیکا بالاچاندر، دانشجوی کارشناسی ارشد در مدرسه طراحی رود آیلند. دسترسی آزاد مقاله تحقیقاتی اخیرا در مواد پیشرفته.

سکوت ابریشمی

Soundproofing Silk بر اساس کارهای قبلی گروه ایجاد می کند میکروفون های پارچه ای.

در این مطالعه، آنها یک رشته از الیاف پیزوالکتریک را به بافت دوختند. مواد پیزوالکتریک هنگام فشرده شدن یا خم شدن سیگنال الکتریکی تولید می کنند. هنگامی که صدای نزدیک باعث ارتعاش بافت می شود، فیبر پیزوالکتریک این ارتعاشات را به یک سیگنال الکتریکی تبدیل می کند که می تواند صدا را دریافت کند.

در کار جدید، محققان این ایده را تغییر دادند تا بلندگوی پارچه‌ای بسازند که می‌توان از آن برای لغو امواج صوتی استفاده کرد.

اگرچه ما می توانیم از پارچه برای ایجاد صدا استفاده کنیم، اما در حال حاضر سر و صدای زیادی در دنیای ما وجود دارد. یانگ می‌گوید ما فکر می‌کردیم ایجاد سکوت می‌تواند حتی ارزشمندتر باشد.

اعمال یک سیگنال الکتریکی به فیبر پیزوالکتریک باعث ارتعاش آن می شود که صدا تولید می کند. محققان این را با نواختن “هوا” باخ با استفاده از یک صفحه ابریشم 130 میکرونی که بر روی یک قاب مدور نصب شده بود نشان دادند.

برای فعال کردن سرکوب مستقیم صدا، محققان از بلندگوی ساخته شده از پارچه ابریشمی برای انتشار امواج صوتی استفاده کردند که به طور مخربی با امواج صوتی ناخواسته تداخل می کند. آنها ارتعاش فیبر پیزوالکتریک را کنترل می کنند تا امواج صوتی ساطع شده از بافت در مقابل امواج صوتی ناخواسته برخورد کنند که می تواند نویز را از بین ببرد.

با این حال، این تکنیک تنها در یک منطقه کوچک موثر است. بنابراین، محققان بر اساس این ایده، تکنیکی را توسعه دادند که از ارتعاشات پارچه برای کاهش صدا در مناطق بسیار بزرگتر مانند اتاق خواب استفاده می کند.

فرض کنید همسایه های شما در نیمه شب در حال بازی تخته نرد هستند. در اتاق خواب خود سر و صدا می شنوید زیرا صدای آپارتمان آنها باعث می شود دیوار مشترک شما به لرزه درآید که امواج صوتی را در سمت شما ایجاد می کند.

برای سرکوب این صدا، محققان می توانند پارچه ابریشمی را در کنار دیوار مشترک قرار دهند و ارتعاشات فیبر را کنترل کنند تا پارچه را مجبور به ثابت ماندن کند. این سرکوب با واسطه ارتعاش از انتقال صدا از طریق بافت جلوگیری می کند.

یانگ می‌گوید: «اگر بتوانیم این ارتعاش‌ها را کنترل کنیم و جلوی وقوع آن‌ها را بگیریم، می‌توانیم صدای تولید شده را نیز متوقف کنیم.

آینه صدا

در کمال تعجب، محققان دریافتند که ثابت نگه داشتن پارچه باعث انعکاس صدا از پارچه می شود و در نتیجه یک تکه ابریشم نازک ایجاد می شود که صدا را مانند آینه با نور منعکس می کند.

آزمایشات آنها همچنین نشان داد که هم خواص مکانیکی پارچه و هم اندازه منافذ آن بر راندمان تولید صدا تأثیر می‌گذارد. در حالی که ابریشم و خراطین دارای خواص مکانیکی مشابهی هستند، اندازه منافذ کوچکتر ابریشم آن را به بلندگوی بهتری نسبت به پارچه تبدیل می کند.

اما اندازه منافذ موثر به فرکانس امواج صوتی نیز بستگی دارد. یانگ می گوید، اگر فرکانس به اندازه کافی کم باشد، حتی پارچه ای با منافذ نسبتاً بزرگ می تواند به طور موثر عمل کند.

هنگامی که پارچه ابریشمی را در حالت سرکوب مستقیم آزمایش کردند، محققان دریافتند که می تواند به میزان قابل توجهی حجم صداها را تا 65 دسی بل کاهش دهد (تقریبا به بلندی یک مکالمه مشتاقانه انسانی). در حالت سرکوب لرزش، پارچه می تواند انتقال صدا را تا 75 درصد کاهش دهد.

فینک می گوید که این نتایج تنها به لطف گروهی پایدار از همکاران امکان پذیر شد. دانشجویان فارغ التحصیل در مدرسه طراحی رود آیلند به محققان کمک کردند تا جزئیات ساخت پارچه را درک کنند. دانشمندان دانشگاه ویسکانسین در مدیسون شبیه سازی هایی را انجام دادند. محققان دانشگاه Case Western Reserve این مواد را مشخص کردند. و مهندسان شیمی در گروه اسمیت در MIT از تخصص خود در جداسازی غشای گاز برای اندازه گیری جریان هوا در پارچه استفاده کردند.

در حرکت رو به جلو، محققان می‌خواهند با استفاده از پارچه خود برای مسدود کردن صدا از فرکانس‌های متعدد کاوش کنند. این احتمالاً به پردازش سیگنال پیچیده و الکترونیک اضافی نیاز دارد.

علاوه بر این، آنها می خواهند معماری پارچه را بیشتر مطالعه کنند تا ببینند چگونه تغییر مواردی مانند تعداد الیاف پیزوالکتریک، جهتی که در آن دوخته می شوند یا تنش های اعمال شده می تواند عملکرد را بهبود بخشد.

دستگیره‌های زیادی وجود دارد که می‌توانیم آنها را بچرخانیم تا این پارچه حذف نویز واقعاً مؤثر باشد. ما می‌خواهیم مردم را به فکر کنترل ارتعاشات ساختاری برای کاهش صدا بیاندازیم. یانگ می‌گوید این تازه شروع است.

این کار تا حدی توسط بنیاد ملی علوم (NSF)، دفتر تحقیقات ارتش (ARO)، آژانس کاهش تهدیدات دفاعی (DTRA) و بنیاد تحقیقات فارغ التحصیلان ویسکانسین تامین شده است.