Ruhige Räume dank schallschluckender Seide

Forscher haben ein hauchdünnes Gewebe entwickelt, um einen leichten, kompakten und effizienten Weg zur Verringerung der Geräuschübertragung in einem großen Raum zu schaffen.

Wir leben in einer sehr lauten Welt. Vom Verkehrslärm vor dem Fenster über den dröhnenden Fernseher des Nachbarn bis hin zu den Geräuschen aus dem Arbeitszimmer eines Kollegen - unerwünschter Lärm ist nach wie vor ein gewaltiges Problem.

Um den Lärm zu unterdrücken, hat ein interdisziplinäres Team von Forschern des MIT und anderer Institute ein schalldämpfendes Seidengewebe entwickelt, das zur Schaffung ruhiger Räume eingesetzt werden kann.

Der Stoff, der kaum dicker als ein menschliches Haar ist, enthält eine spezielle Faser, die vibriert, wenn eine Spannung angelegt wird. Die Forscher nutzten diese Schwingungen, um den Schall auf zwei verschiedene Arten zu unterdrücken.

Bei der ersten Technik erzeugt der vibrierende Stoff Schallwellen, die unerwünschte Geräusche überlagern und auslöschen, ähnlich wie bei Kopfhörern mit Geräuschunterdrückung, die in einem kleinen Raum wie den Ohren gut funktionieren, aber nicht in großen Räumen wie Räumen oder Flugzeugen.

Bei der anderen, überraschenderen Technik wird der Stoff stillgehalten, um Vibrationen zu unterdrücken, die für die Übertragung von Schall entscheidend sind. Auf diese Weise wird verhindert, dass der Lärm durch den Stoff übertragen wird, und die Lautstärke dahinter wird gedämpft. Dieser zweite Ansatz ermöglicht die Lärmreduzierung in viel größeren Bereichen wie Zimmern oder Autos.

Durch die Verwendung gängiger Materialien wie Seide, Segeltuch und Musselin haben die Forscher schalldämpfende Stoffe geschaffen, die sich in realen Räumen praktisch einsetzen lassen. Man könnte ein solches Gewebe zum Beispiel für Trennwände in offenen Arbeitsräumen oder für dünne Stoffwände verwenden, die den Schall nicht durchlassen.

Der Stoff kann Geräusche unterdrücken, indem er Schallwellen erzeugt, die mit unerwünschten Geräuschen interferieren und diese auslöschen (siehe Abbildung C), oder indem er stillgehalten wird, um Vibrationen zu unterdrücken, die für die Übertragung von Geräuschen entscheidend sind (siehe Abbildung D).

„Lärm ist viel einfacher zu erzeugen als Ruhe. Um Lärm fernzuhalten, verwenden wir viel Platz auf dicke Wände. Die Arbeit von Grace bietet einen neuen Mechanismus, um mit einer dünnen Stoffbahn ruhige Räume zu schaffen“, so Yoel Fink, Professor in den Fachbereichen Materialwissenschaften und Ingenieurwesen sowie Elektrotechnik und Informatik, leitender Forscher im Research Laboratory of Electronics und leitender Autor eines Artikels über den Stoff.

Seidige Stille
Die schalldämpfende Seide baut auf den früheren Arbeiten der Gruppe zur Herstellung von Stoffmikrofonen auf.

Bei dieser Forschungsarbeit wurde ein einzelner Strang piezoelektrischer Fasern in ein Gewebe eingenäht. Piezoelektrische Materialien erzeugen ein elektrisches Signal, wenn sie zusammengedrückt oder gebogen werden. Wenn ein Geräusch in der Nähe den Stoff in Schwingung versetzt, wandelt die piezoelektrische Faser diese Schwingungen in ein elektrisches Signal um, das den Ton auffangen kann.

In der neuen Arbeit haben die Forscher diese Idee umgedreht und einen Lautsprecher aus Stoff entwickelt, der Schallwellen auslöschen kann.

„Wir können zwar mit Stoffen Schall erzeugen, aber es gibt bereits so viel Lärm in unserer Welt. Wir dachten, dass die Erzeugung von Stille noch wertvoller sein könnte“, sagt Yang.

Durch Anlegen eines elektrischen Signals an die piezoelektrische Faser wird diese in Schwingung versetzt, wodurch Schall erzeugt wird. Die Forscher demonstrierten dies, indem sie Bachs „Air“ mit einem 130 Mikrometer großen Seidenblatt spielten, das auf einem kreisförmigen Rahmen befestigt war.

Um eine direkte Schallunterdrückung zu ermöglichen, verwenden die Forscher einen Lautsprecher aus Seidengewebe, der Schallwellen aussendet, die unerwünschte Schallwellen zerstörerisch überlagern. Sie steuern die Schwingungen der piezoelektrischen Faser so, dass die vom Gewebe abgestrahlten Schallwellen den unerwünschten Schallwellen, die auf das Gewebe treffen, entgegengesetzt sind, was den Lärm ausblenden kann.

Diese Technik ist jedoch nur in einem kleinen Bereich wirksam. Die Forscher bauten also auf dieser Idee auf und entwickelten eine Technik, die die Schwingungen des Gewebes nutzt, um Geräusche in viel größeren Räumen zu unterdrücken, z. B. in einem Schlafzimmer.

Nehmen wir an, Ihre Nachbarn spielen mitten in der Nacht Tischfußball. Sie hören Geräusche in Ihrem Schlafzimmer, weil die Geräusche in deren Wohnung Ihre gemeinsame Wand in Schwingung versetzen, was zu Schallwellen auf Ihrer Seite führt.

Um diese Geräusche zu unterdrücken, könnten die Forscher den Seidenstoff auf Ihrer Seite der gemeinsamen Wand anbringen und die Schwingungen in der Faser so steuern, dass der Stoff ruhig bleibt. Diese vibrationsbedingte Unterdrückung verhindert, dass der Schall durch das Gewebe übertragen wird.

„Wenn wir diese Vibrationen kontrollieren und verhindern können, können wir auch den entstandenen Lärm stoppen“, sagt Yang.

Ein Spiegel für Sound
Überraschenderweise stellten die Forscher fest, dass das Festhalten des Gewebes dazu führt, dass der Schall vom Gewebe reflektiert wird. Das Ergebnis ist ein dünnes Stück Seide, das den Schall wie ein Spiegel das Licht reflektiert.

Ihre Experimente zeigten auch, dass sowohl die mechanischen Eigenschaften eines Stoffes als auch die Größe seiner Poren die Effizienz der Schallerzeugung beeinflussen. Seide und Musselin haben zwar ähnliche mechanische Eigenschaften, aber die kleinere Porengröße von Seide macht sie zu einem besseren Gewebe-Lautsprecher.

Die effektive Porengröße hängt aber ebenso von der Frequenz der Schallwellen ab. Wenn die Frequenz niedrig genug ist, kann auch ein Gewebe mit relativ großen Poren effektiv funktionieren, sagt Yang.

Als sie das Seidengewebe im direkten Unterdrückungsmodus testeten, stellten die Forscher fest, dass es die Lautstärke von Geräuschen bis zu 65 Dezibel (etwa so laut wie ein enthusiastisches menschliches Gespräch) deutlich reduzieren konnte. Im vibrationsvermittelten Unterdrückungsmodus konnte der Stoff die Schallübertragung um bis zu 75 Prozent reduzieren.

Diese Ergebnisse waren nur dank einer starken Gruppe von Mitarbeitern möglich, sagt Fink. Studenten an der Rhode Island School of Design halfen den Forschern, die Details der Gewebekonstruktion zu verstehen; Wissenschaftler an der University of Wisconsin in Madison führten Simulationen durch; Forscher an der Case Western Reserve University charakterisierten die Materialien; und die Chemieingenieure der Smith Group am MIT nutzten ihr Fachwissen über die Trennung von Gasmembranen, um den Luftstrom durch das Gewebe zu messen.

Künftig wollen die Forscher prüfen, ob ihr Gewebe auch zum Blockieren von Geräuschen mit mehreren Frequenzen eingesetzt werden kann. Dies würde wahrscheinlich eine komplexe Signalverarbeitung und zusätzliche Elektronik erfordern.

Außerdem wollen sie die Gewebekonstruktion weiter untersuchen, um herauszufinden, wie sich die Leistung verbessern ließe, wenn man beispielsweise die Anzahl der piezoelektrischen Fasern, die Richtung, in der sie vernäht sind, oder die angelegten Spannungen verändert.

„Es gibt viele Stellschrauben, an denen wir drehen können, um dieses schalldämpfende Gewebe wirklich effektiv zu machen. Wir wollen die Menschen dazu bringen, über die Kontrolle von Strukturschwingungen zur Schalldämpfung nachzudenken. Dies ist erst der Anfang“, sagt Yang.

Diese Arbeit wird zum Teil von der National Science Foundation (NSF), dem Army Research Office (ARO), der Defense Threat Reduction Agency (DTRA) und der Wisconsin Alumni Research Foundation finanziert.