Onderzoekers van de Universiteit van Boston, Xin Zhang, een professor aan het College of Engineering, en Reza Ghaffarivardavagh, een doctoraat student aan de faculteit Werktuigbouwkunde, een paper uitgebracht in Fysieke beoordeling B demonstreren dat het mogelijk is om geluid te dempen met een open, ringachtige structuur, gemaakt volgens wiskundig perfecte specificaties, voor het uitschakelen van geluiden terwijl de luchtstroom behouden blijft.

"De geluidsbarrières van tegenwoordig zijn letterlijk dikke, zware muren, ", zegt Ghaffarivardavagh. Hoewel geluidsbeperkende barricades, geluidsschotten genoemd, kan helpen het geroezemoes van het spitsuur te overstemmen of de symfonie van muziek binnen de muren van een concertzaal te houden, ze zijn een onhandige benadering die niet goed geschikt is voor situaties waarin de luchtstroom ook van cruciaal belang is. Stel je voor dat je de uitlaatopening van een straalmotor zou barricaderen - het vliegtuig zou nooit van de grond komen. In plaats daarvan, arbeiders op het asfalt dragen oordoppen om hun gehoor te beschermen tegen het oorverdovende gebrul.

Ghaffarivardavagh en Zhang lieten wiskunde - een gedeelde passie die hun beide technische carrières heeft gesteund en hen tot geschikte onderzoekspartners heeft gemaakt - hen begeleiden naar een werkbaar ontwerp voor hoe het akoestische metamateriaal eruit zou zien.

Ze berekenden de afmetingen en specificaties die het metamateriaal zou moeten hebben om de uitgezonden geluidsgolven te verstoren, voorkomen dat geluid, maar geen lucht, door de open structuur wordt uitgestraald. Het uitgangspunt is dat het metamateriaal zo gevormd moet worden dat het binnenkomende geluiden terugstuurt naar waar ze vandaan kwamen, ze zeggen.

Als testcase is ze besloten een structuur te creëren die het geluid van een luidspreker kon dempen. Op basis van hun berekeningen ze modelleerden de fysieke afmetingen die geluiden het meest effectief zouden dempen. Die modellen tot leven brengen, gebruikten ze 3D-printen om een ​​open, ruisonderdrukkende structuur van kunststof.

Probeer het uit in het lab, de onderzoekers verzegelden de luidspreker in het ene uiteinde van een PVC-buis. Aan de andere kant, het op maat gemaakte akoestische metamateriaal werd in de opening bevestigd. Met een druk op de afspeelknop, de experimentele luidsprekeropstelling kwam o zo stil tot leven in het lab. Staande in de kamer, alleen gebaseerd op uw gehoor, je zou nooit weten dat de luidspreker een irritant hoge toon liet horen. Indien, echter, je tuurde in de PVC-buis, je zou de subwoofers van de luidspreker weg zien dreunen.

Het metamateriaal, rinkelend rond de interne omtrek van de mond van de pijp, werkte als een geïncarneerde mute-knop tot het moment waarop Ghaffarivardavagh naar beneden reikte en hem losmaakte. Het lab weergalmde plotseling met het gekrijs van de melodie van de luidspreker.

"Het moment dat we de geluiddemper voor het eerst plaatsten en verwijderden... was letterlijk dag en nacht, " zegt Jacob Nikolajczyk, die naast een studie co-auteur en voormalig niet-gegradueerde onderzoeker in het lab van Zhang een gepassioneerde vocale artiest is. "We zagen dit soort resultaten al maanden in onze computermodellering, maar het is één ding om gemodelleerde geluidsdrukniveaus op een computer te zien, en een ander om de impact zelf te horen."

Door geluidsniveaus te vergelijken met en zonder het metamateriaal dat op zijn plaats is bevestigd, het team ontdekte dat ze bijna alle - 94 procent om precies te zijn - van het geluid konden dempen, waardoor de geluiden die uit de luidspreker komen onwaarneembaar zijn voor het menselijk oor.

Nu hun prototype zo effectief is gebleken, de onderzoekers hebben een aantal grote ideeën over hoe hun akoestisch dempende metamateriaal zou kunnen werken om de echte wereld stiller te maken.

"Drones zijn een hot topic, " zegt Zhang. Bedrijven als Amazon zijn geïnteresseerd in het gebruik van drones om goederen te leveren, ze zegt, en "mensen klagen over het mogelijke lawaai."

"De boosdoener is de opwaartse beweging van de ventilator, " zegt Ghaffarivardavagh. "Als we geluiddempende open structuren onder de drone-fans kunnen plaatsen, we kunnen het geluid dat naar de grond uitstraalt, neutraliseren."

Dichter bij huis - of op kantoor - zouden ventilatoren en HVAC-systemen baat kunnen hebben bij akoestische metamaterialen die ze stil maken en toch warme of koude lucht ongehinderd door een gebouw laten circuleren.

Ghaffarivardavagh en Zhang wijzen ook op de lelijkheid van de geluidsschermen die tegenwoordig worden gebruikt om de geluidsoverlast van het verkeer te verminderen en zien ruimte voor een esthetische upgrade. "Onze structuur is super lichtgewicht, open, en mooi. Elk stuk kan worden gebruikt als een tegel of baksteen om op te schalen en een geluiddempende, doorlatende muur, " ze zeggen.

De vorm van akoestisch dempende metamaterialen, op basis van hun methode, is ook volledig aanpasbaar, zegt Ghaffarivardavagh. Het buitenste deel hoeft geen ronde ringvorm te zijn om te kunnen functioneren.

"We kunnen de buitenvorm ontwerpen als een kubus of zeshoek, alles eigenlijk, "zegt hij. "Als we een muur willen maken, we gaan naar een zeshoekige vorm" die in elkaar kan passen als een honingraatstructuur in de open lucht.

Dergelijke muren kunnen helpen om vele soorten geluiden te bevatten. Zelfs die van de intense trillingen van een MRI-machine, zegt Zhang.

Volgens Stephan Anderson, een professor in de radiologie aan de BU School of Medicine en een co-auteur van de studie, het akoestische metamateriaal kan mogelijk worden geschaald "om in de centrale boring van een MRI-machine te passen, " patiënten afschermen van het geluid tijdens het beeldvormingsproces.

Zhang zegt dat de mogelijkheden eindeloos zijn, omdat de geluidsbeperkende methode kan worden aangepast aan bijna elke omgeving:"Het idee is dat we nu wiskundig een object kunnen ontwerpen dat de geluiden van alles kan blokkeren, " ze zegt.