Soppressione immediata dalle vibrazioni: un tessuto per impedire la trasmissione del suono.
di Lisa Borreani
Il suono, uno stimolatore sensoriale onnipresente, riveste una rilevanza significativa nella vita umana, poiché coinvolge continuamente le nostre facoltà uditive e mentali. L’importanza del suono è sottolineata dalla sua duplice natura, che funge sia da strumento vitale per la comunicazione sia da potenziale fonte di danno, esemplificato dal problema pervasivo dell’inquinamento acustico.
Viviamo in un mondo molto rumoroso. Dal ronzio del traffico fuori dalla finestra alla TV a tutto volume del vicino di casa fino ai suoni provenienti dalla cabina di un collega, il rumore indesiderato rimane un problema clamoroso.
La riduzione del rumore indesiderato continua quindi a rappresentare una sfida significativa incontrata nella vita quotidiana ma le attuali strategie per ridurre il rumore indesiderato sono carenti.
Un tessuto per la riduzione del rumore
Una collaborazione interdisciplinare di ricercatori del MIT e di altri paesi ha sviluppato un tessuto di seta insonorizzante che potrebbe essere utilizzato per creare spazi silenziosi.
Il tessuto, 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 cancellarlo, in modo simile alle cuffie con cancellazione del rumore, che funzionano bene in uno spazio piccolo come le orecchie ma non funzionano in spazi ampi 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. Ciò impedisce la trasmissione del rumore attraverso il tessuto e riduce il volume al di là. Questo secondo approccio consente la riduzione del rumore in spazi molto più ampi come stanze o automobili.
La realizzazione
Utilizzando materiali comuni come seta, tela e mussola, i ricercatori hanno creato tessuti in grado di sopprimere il rumore pratici da implementare in spazi reali. Ad esempio, si potrebbe utilizzare un tessuto di questo tipo per creare divisori in spazi di lavoro aperti o pareti sottili che impediscano il passaggio del suono.
L’autrice principale dello studio è Grace (Noel) Yang SM ’21, PhD ’24. Un documento ad accesso libero sulla ricerca è apparso di recente su Advanced Materials.
“Il rumore è molto più facile da creare che il silenzio. Per isolare i rumori, infatti, dedichiamo molto spazio a muri spessi. Il lavoro di Grace fornisce un nuovo meccanismo per creare spazi silenziosi 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 insonorizzante 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 nelle vicinanze fa vibrare il tessuto, la fibra piezoelettrica converte quelle vibrazioni in un segnale elettrico, in grado di catturare il suono.
Nel nuovo lavoro, i ricercatori hanno ribaltato l’idea per creare un altoparlante in tessuto che possa essere utilizzato per cancellare 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 il silenzio potesse essere ancora più prezioso”, afferma Yang.
I primi esperimenti
L’applicazione di un segnale elettrico alla fibra piezoelettrica la fa vibrare, generando il suono. I ricercatori lo hanno dimostrato suonando “Aria” di Bach utilizzando un foglio di seta di 130 micrometri montato su una cornice circolare.
Per consentire la soppressione diretta del suono, i ricercatori utilizzano un altoparlante in tessuto di seta che e’ in grado di 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 lo colpiscono, cancellando 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.
Diciamo che i tuoi vicini di casa stanno giocando a biliardino nel cuore della notte. Senti del rumore nella tua camera da letto perché il suono nel loro appartamento fa vibrare il muro che condividi, formando onde sonore dalla tua parte.
Per sopprimere quel suono, i ricercatori potrebbero posizionare il tessuto di seta sul lato della parete condivisa, controllando le vibrazioni della fibra per costringere il tessuto a rimanere fermo. Questa soppressione mediata dalle vibrazioni impedisce la trasmissione del suono attraverso il tessuto.
“Se riusciamo a controllare quelle vibrazioni e a impedire che si verifichino, possiamo anche fermare il rumore che viene generato”, dice Yang.
I principali risultati
Sorprendentemente, i ricercatori hanno scoperto che trattenendo il tessuto si fa sì che il suono venga riflesso da esso. Ciò risulta in un sottile pezzo di seta che riflette il suono come uno specchio fa con la luce.
I loro esperimenti hanno anche rivelato che le proprietà meccaniche di un tessuto e la dimensione dei suoi pori influiscono sull’efficienza della generazione del suono. Sebbene la seta e la mussola abbiano proprietà meccaniche simili, le dimensioni più piccole dei pori della seta la rendono un altoparlante in tessuto migliore.
Ma la dimensione effettiva dei pori dipende anche dalla frequenza delle onde sonore. Se la frequenza è sufficientemente bassa, anche un tessuto con pori relativamente grandi potrebbe funzionare in modo efficace, afferma 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 (quasi quanto il volume di una conversazione umana concitata). Nella 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 robusto 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 le simulazioni. I ricercatori della Case Western Reserve University hanno caratterizzato i materiali. Gli ingegneri chimici dello Smith Group del MIT hanno utilizzato la loro esperienza nella separazione delle membrane del gas per misurare il flusso d’aria attraverso il tessuto.
Gli orizzonti futuri del tessuto insonorizzante
Andando avanti, i ricercatori vogliono esplorare l’uso del loro tessuto per bloccare il suono di più frequenze. Ciò richiederebbe probabilmente un’elaborazione complessa del segnale e un’elettronica aggiuntiva.
Inoltre, vogliono studiare ulteriormente l’architettura del tessuto per vedere come cambiare dei parametri. Questi includono il numero di fibre piezoelettriche, la direzione in cui sono cucite o le tensioni applicate che potrebbero migliorare le prestazioni.
“Ci sono molte manopole che possiamo girare per rendere questo tessuto insonorizzante davvero efficace. Vogliamo convincere le persone a pensare al controllo delle vibrazioni strutturali per sopprimere il suono. Questo è solo l’inizio”, afferma Yang.
