Omdesignat fönster stoppar ljud men inte luft, säger materialforskare

Bullerföroreningar är en av det moderna livets bugbears. Ljudet från maskiner, motorer, grannar och liknande kan allvarligt påverka vår livskvalitet och den för de andra varelserna som delar denna planet.

Men att isolera mot ljud är en svår och dyr affär. Ljudisolering fungerar i allmänhet enligt principen att överföra ljud från luften till ett annat medium som absorberar och dämpar det.

Så idén att skapa en barriär som absorberar ljud samtidigt som luften släpper igenom verkar, vid första antagandet, helt omöjlig. Men det är precis vad Sang-Hoon Kima vid Mokpo National Maritime University i Sydkorea och Seong-Hyun Lee vid Korea Institute of Machinery and Materials har uppnått.

De här killarna har kommit på ett sätt att separera ljud från luften som det färdas i och sedan dämpa det. Detta har gjort det möjligt för dem att bygga ett fönster som låter luft flöda men inte ljud.

Designen är relativt enkel och bygger på två exotiska akustiska fenomen. Det första är att skapa ett material med en negativ bulkmodul.

Ett material bulkmodul är i huvudsak dess motstånd mot kompression och detta är en viktig faktor för att bestämma hastigheten med vilken ljud rör sig genom det. Ett material med en negativ bulkmodul dämpar exponentiellt allt ljud som passerar genom det.

Det är dock svårt att föreställa sig ett fast material som har en negativ bulkmodul, vilket är där lite smart design kommer väl till pass.

Kima och Lees idé är att designa en ljudresonanskammare där resonanskrafterna motverkar all kompression. Med noggrann design leder detta till en negativ bulkmodul för ett visst frekvensområde.

Deras resonanskammare är faktiskt väldigt enkel – den består av två parallella plattor av genomskinlig akrylplast cirka 150 millimeter i kvadrat och åtskilda med 40 millimeter, snarare som en sektion av dubbelglas som är ungefär lika stor som en pocketbok.

Denna kammare är utformad för att säkerställa att alla ljud som resonerar inuti den verkar mot hur samma ljud komprimerar kammaren. När detta händer är bulkmodulen för hela kammaren negativ.

En viktig faktor i detta är hur effektivt ljudet kan komma in i kammaren och här har Kima och Lee ytterligare ett knep. För att maximera denna effektivitet borrar de ett 50 millimeters hål genom varje bit akryl. Detta fungerar som ett diffraktionselement som gör att alla ljud som träffar kammaren diffrakterar kraftigt in i den.

Resultatet är ett dubbelglasfönster med en negativ bulkmodul som kraftigt dämpar ljudet som träffar det.

Kima och Lee använder sin tvåglasenhet som byggsten för att skapa större fönster. I tester med en 3x4x3 vägg av byggstenar säger de att deras fönster minskar ljudnivåerna med 20-35 decibel över ett ljudområde på 700 Hz till 2 200 Hz. Det är en betydande minskning.

Och genom att använda extra byggstenar med mindre hål kan de utöka detta intervall för att täcka lägre frekvenser.

Det som är praktiskt med dessa fönster är att hål genom dem också tillåter det fria luftflödet, vilket också ger gott om ventilation.

Ansökningarna är många. Genom att ändra storleken på hålen blir fönstren justerbara så att de bara skärmar bort vissa frekvenser, de nya designerna har några intressanta tillämpningar.

Till exempel, om vi befinner oss i ett kombinerat område av ljud från havsvågor med låg frekvens och ljud från maskin som arbetar med en hög frekvens, kan vi bara höra ljud från havsvågor med frisk luft, säger Kima och Lee.

Dessutom säger de att samma idé också bör fungera i vatten, vilket kan hjälpa till i applikationer som att skydda marina djur från bullerföroreningar.

En smart idé som tar itu med ett av de allt vanligare problemen med det moderna livet.

Ref: arxiv.org/abs/1307.0301 : Lufttransparent ljudisolerat fönster

Dölj