Метаматериа́л — композиционный материал, свойства которого обусловлены не столько свойствами составляющих его элементов, сколько искусственно созданной периодической структурой.
Исследователи Бостонского университета, Синь Чжан, профессор Технического колледжа, и Реза Гаффариварда, доктор философии, студент кафедры машиностроения выпустили статью, демонстрирующую, что можно заглушить шум, используя открытую кольцеобразную структуру, созданную с математически совершенными характеристиками, отражения любого звука без препятствия прохождению воздушного потока.
«Сегодняшние звуковые барьеры - это буквально толстые тяжелые стены», - говорит Гаффариварда. Хотя заглушающие шум баррикады, называемые звуковыми перегородками, могут помочь заглушить шум трафика в час пик или сдержать симфонию музыки в стенах концертного зала, они являются неуклюжим подходом, не очень подходящим для ситуаций, когда воздушный поток также важен. Представьте, что вы заблокируете выхлопное отверстие реактивного двигателя - самолет никогда не оторвется от земли. Вместо этого рабочие на взлетной полосе носят затычки для ушей, чтобы защитить их слух от оглушительного рева.
Гаффариварда и Чжан позволили математике - общей страсти, которая поддержала их инженерную карьеру и сделала их подходящими друг другу партнерами-исследователями - направлять их к работоспособной модели разрабатываемого метаматериала.
Они рассчитали размеры и характеристики, которые метаматериал должен был бы иметь, чтобы мешать передаваемым звуковым волнам, предотвращая проникновения звука, но не воздуха, через открытую структуру. Основная предпосылка заключается в том, что метаматериал должен быть сформирован таким образом, чтобы он отражал звуки туда, откуда они пришли, говорят они.
В качестве тестового примера они решили создать структуру, которая могла бы заглушить звук из динамика. Основываясь на своих расчетах, они моделировали наиболее эффективные физические измерения для подавления шума. Чтобы воплотить эти модели в жизнь, они использовали 3D-печать для материализации открытой, поглощающей шум конструкции из пластика.
Испытывая это в лаборатории, исследователи запечатали громкоговоритель в одном конце трубы из ПВХ. На другом конце был закреплен изготовленный ими акустический метаматериал. По нажатию кнопки громкоговорителя и воспроизведения звука они не услышали ровным счетом ничего.
Метаматериал работал как кнопка отключения звука, но стоило Гаффаривард убрать его, освободив звук, лабораторию заполнил рев громкоговорителя.
«Результаты эксперимента с глушителем и без были различимы буквально как день и ночь», - говорит Джейкоб Николачук, который, помимо того, что является соавтором исследования и бывшим научным сотрудником в лаборатории Чжана, еще и страстный вокалист. «Мы получали подобные результаты при помощи компьютерного моделирования на протяжении нескольких месяцев - но одно дело увидеть смоделированное поведение звуковой волны на компьютере, а другое - услышать эту разницу при практическом эксперименте».
Сравнивая уровни звука с закрепленным на месте метаматериалом и без него, команда обнаружила, что они могут заглушить почти все (точнее 94%) шума, делая звуки, исходящие из громкоговорителя, незаметными для человеческого уха.
Теперь, когда их прототип оказался настолько эффективным, у исследователей появилось несколько больших идей о том, как их метаматериал с акустическим глушением может работать, делая звуковой шум мира намного чище.
«Дроны - очень актуальная тема», - говорит Чжан. По ее словам, такие компании, как Амазон, заинтересованы в использовании беспилотных дронов для доставки товаров, но люди жалуются на их шум.
«Виновником является движение вентилятора», - говорит Гаффаривардава. «Если мы сможем разместить звукоизолирующие конструкции под вентиляторами, то звук перестанет распространятся по направлению к земле».
Ближе к дому или офису системы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха могут стать эффективнее благодаря акустическим метаматериалам, которые делают их бесшумными, но при этом позволяют циркулирующему горячему или холодному воздуху беспрепятственно распространяться по всему зданию.
Гаффаривард и Чжан также призывают обратить внимание на внешний вид звуковых барьеров, используемых сегодня, чтобы уменьшить шумовое загрязнение от движения транспорта и увидеть пространство для их эстетического обновления. «Наша конструкция очень легкая, открытая и красивая. Каждая деталь может быть использована в качестве плитки или кирпича для наращивания и создания, поглощающей шум, проницаемой стены», - говорят они.
Гаффаривард говорит, что форма метаматериалов акустического глушения, основанная на их методе, также является полностью настраиваемой. Внешняя часть не обязательно должна быть круглой формы, чтобы функционировать.
«Мы можем спроектировать внешнюю форму в виде куба или шестиугольника, чего угодно, - говорит Чжан. «Когда мы захотим создать стену, мы придем к шестиугольной форме», которая может быть совмещена как структура из сот под открытым небом.
Такие стены могут помочь содержать многие типов шума. Даже от сильных вибраций аппарата МРТ.
По словам Стефана Андерсона, профессора радиологии в Медицинской школе Бостонского университета и соавтора исследования, акустический метаматериал может быть масштабирован так, чтобы «вписаться в центральное отверстие аппарата МРТ», защищая пациентов от звука во время всего процесса его работы.
Чжан говорит, что возможности безграничны, поскольку метод подавления шума можно настроить практически под любую среду: «Идея заключается в том, что теперь мы можем математически спроектировать объект, который может блокировать любые звуки», - говорит она.
Источник: Boston University
