Maschinenbauer haben ein „akustisches Metamaterial“ entwickelt, das 94 Prozent des Klangs reduzieren kann

Was würden Sie stummschalten, wenn Sie könnten? Diese Frage stellen sich zwei Ingenieure der Boston University, an denen immer mehr Drohnenpropeller, Flugzeugturbinen, MRI-Maschinen und Lärmbelästigung im Stadtinneren zu hören sind.

“Heutige Schallmauern sind buchstäblich dicke, schwere Wände”, sagt Reza Ghaffarivardavagh. Geräuschmindernde Barrikaden, auch Schallwände genannt, können zwar dazu beitragen, den Rausch des Stoßverkehrs zu übertönen oder die Symphonie der Musik in den Wänden eines Konzertsaals einzuschließen, doch sie sind ein klobiger Ansatz, der nicht für Situationen geeignet ist, in denen der Luftstrom ebenfalls kritisch ist. Stellen Sie sich vor, die Abluftöffnung eines Düsentriebwerks verbarrikadiert – das Flugzeug würde niemals den Boden verlassen. Stattdessen tragen die Arbeiter auf dem Asphalt Ohrstöpsel, um ihr Gehör vor dem ohrenbetäubenden Brüllen zu schützen.

Xin Zhang und Ghaffarivardavagh wurden von einer verlockenden Frage angezogen: “Können wir eine Struktur entwerfen, die Lärm blockieren kann, aber den Luftdurchlass bewahrt?”

Aufgrund ihrer mathematischen Fähigkeiten und der Technologie des 3D-Drucks stellt sich heraus, dass sie dies können. In einem Physical Review-Artikel vom Januar 2019 argumentieren die Forscher, dass es durchaus möglich ist, das Rauschen mithilfe einer offenen, ringförmigen Struktur zu stoppen, die nach mathematisch perfekten Spezifikationen erstellt wurde, um Geräusche unter Beibehaltung des Luftstroms zu unterdrücken.

Zahlen und Lärmschutz

“Ich habe mich schon immer für Akustik interessiert”, sagt Ghaffarivardavagh, der seinen Bachelor of Science in Maschinenbau an der Sharif University of Technology im iranischen Teheran absolvierte, bevor er an die Boston University kam, um dort sein Studium zu beginnen. In Zhangs Labor steht er kurz vor dem Abschluss seiner Doktorarbeit. „Ich arbeite gerne an etwas, das ich hören oder sehen kann. Etwas, auf das ich mit Problemen einwirken kann, mit denen wir heute konfrontiert sind.“

Bevor Zhang und Ghaffarivardavagh in anderen Großstädten lebten, bevor sie nach Boston kamen, waren sie immer erstaunt über die vielschichtige städtische Klanglandschaft, die sie umhüllte. In Boston wird die Kakophonie der Stadt durch Flugzeuge, die Motoren und Hupen von Autos, Lastwagen und Bussen auf der Straße, das Dröhnen und Schreien von MBTA-Trolleys und das Summen von Baugeräten und Stromquellen zusammengewürfelt.

Das Leben in der Stadt ist so laut, man muss einen Weg finden, ruhige Momente zu schaffen, sagen sie.

Das träumte von einer Schallwand, die keine Barriere war, sondern eine offene Leitung. Ein solches Kunststück könnte nur durch die Entwicklung eines Materials mit ungewöhnlichen und unnatürlichen Eigenschaften (bekannt als Metamaterial) möglich sein, in diesem Fall mit der Fähigkeit, einen isolierten Einfluss auf Klänge auszuüben – ein akustisches Metamaterial.

“Ich arbeite seit über einem Jahrzehnt an Metamaterialien”, sagt Zhang, ein multidisziplinärer Professor am College of Engineering und am Photonics Center. „Aber es war Reza, der mich nach und nach für die Grundidee einer Verbindung zwischen Akustik und Metamaterialien begeisterte. Wenn Sie mich und meine Kollegen fragen, sind akustische Metamaterialien eine relativ junge Richtung…. Es ist die Zukunft. “

Stummschaltknopf

Ghaffarivardavagh und Zhang ließen die Mathematik – eine gemeinsame Leidenschaft, die ihre Ingenieurskarriere gefördert und zu geeigneten Forschungspartnern gemacht hat – zu einem praktikablen Entwurf für das akustische Metamaterial führen.

„Der Ton wird durch sehr kleine Störungen in der Luft erzeugt. Unser Ziel ist es also, diese kleinen Vibrationen zum Schweigen zu bringen “, sagen Ghaffarivardavagh und Zhang. “Wenn wir wollen, dass das Innere eines Gebäudes unter freiem Himmel ist, müssen wir bedenken, dass dies der Weg ist, durch den der Schall wandert.”

Sie berechneten die Dimensionen und Spezifikationen, die das Metamaterial haben müsste, um die übertragenen Schallwellen zu stören. Dadurch wird verhindert, dass Schall (nicht Luft) durch die offene Struktur abgestrahlt wird. Die Grundvoraussetzung ist, dass das Metamaterial so gestaltet werden muss, dass es eingehende Klänge zu dem Ort zurückschickt, von dem sie kamen, sagen sie.

Als Testfall beschlossen sie, eine Struktur zu erstellen, die den Klang eines Lautsprechers stummschalten konnte. Basierend auf ihren Berechnungen modellierten sie die physikalischen Dimensionen, die Geräusche am effektivsten unterdrücken würden. Sie erweckten diese Modelle zum Leben und nutzten den 3D-Druck, um eine offene, geräuschunterdrückende Struktur aus Kunststoff zu verwirklichen.

Beim Versuch im Labor versiegelten die Forscher den Lautsprecher in ein Ende eines PVC-Rohrs. Am anderen Ende wurde das maßgeschneiderte akustische Metamaterial in der Öffnung befestigt. Mit dem Betätigen der Wiedergabetaste wurde die experimentelle Lautsprecheranordnung im Labor so leise. Wenn Sie im Raum stehen und auf Ihr Gehör allein hören, wissen Sie nie, dass der Lautsprecher eine irritierend hohe Note erzeugt. Wenn Sie jedoch in das PVC-Rohr blicken, würden Sie die Subwoofer des Lautsprechers wegklopfen sehen.

Das Metamaterial, das um den inneren Umfang der Pfeife befestigt war, wirkte wie ein Stummschalter, bis Ghaffarivardavagh es entfernte. Plötzlich hallte das Labor mit dem Kreischen der Melodie des Lautsprechers wider.

“Der Moment, als wir den Schalldämpfer zum ersten Mal platziert und entfernt haben … war buchstäblich Tag und Nacht”, sagt Jacob Nikolajczyk, der nicht nur ein Studienkoautor und ehemaliger Wissenschaftler in Zhangs Labor ist, sondern auch leidenschaftlicher Gesangskünstler ist. “Wir hatten diese Art von Ergebnissen bereits seit Monaten in unserer Computermodellierung gesehen – aber es ist eine Sache, modellierte Schalldruckpegel auf einem Computer zu sehen, und eine andere, um die Auswirkungen selbst zu hören.”

Durch den Vergleich der Geräuschpegel mit und ohne festsitzenden Metamaterial konnte das Team feststellen, dass es möglich war, das Geräusch nahezu vollständig (94 Prozent) des Geräusches zu eliminieren, sodass die vom Lautsprecher ausgehenden Geräusche für das menschliche Ohr nicht wahrnehmbar waren.

Eine ruhigere Welt

Nachdem sich ihr Prototyp als so effektiv erwiesen hat, haben die Forscher einige große Ideen, wie ihr Metamaterial für akustisch schalldämpfende Materialien funktionieren könnte, um die reale Welt ruhiger zu machen.

„Drohnen sind ein sehr heißes Thema“, sagt Zhang. Unternehmen wie Amazon sind daran interessiert, Drohnen für die Lieferung von Waren zu verwenden, sagt sie. “Die Leute beschweren sich über den möglichen Lärm.”

“Der Schuldige ist die aufwärts gerichtete Bewegung der Propeller”, sagt Ghaffarivardavagh. “Wenn wir unter den Drohnenfächern offene Strukturen mit Schalldämmung aufstellen können, können wir den Ton abschalten, der in Richtung Boden ausstrahlt.”

In unmittelbarer Nähe – oder im Büro – können Ventilatoren und HVAC-Systeme von akustischen Metamaterialien profitieren, die sie leise machen und dennoch heiße oder kalte Luft ungehindert in einem Gebäude zirkulieren lassen.

Ghaffarivardavagh und Zhang weisen auch auf die Unansehnlichkeit der heute verwendeten Schallschutzwände hin, um die Lärmbelästigung durch den Verkehr zu verringern und Raum für ein ästhetisches Upgrade zu schaffen. „Unsere Struktur ist superleicht, offen und schön. Jedes Stück könnte als Fliese oder Ziegelstein verwendet werden, um die Wand zu verkleinern und eine durch Schall durchlässige Wand zu bauen“, sagen sie.

Laut Ghaffarivardavagh ist die Form von akustisch schalldämpfenden Metamaterialien, basierend auf ihrer Methode, auch vollständig anpassbar. Der äußere Teil muss nicht rund sein, um zu funktionieren.

“Wir können die äußere Form als Würfel oder Sechseck gestalten, wirklich alles”, sagt er. “Wenn wir eine Wand schaffen wollen, gehen wir zu einer sechseckigen Form”, die wie eine Freiluft-Wabenstruktur zusammengefügt werden kann.

Solche Wände könnten dazu beitragen, viele Arten von Geräuschen zu enthalten. Sogar die von den starken Vibrationen eines MRI-Geräts, sagt Zhang.

Laut Stephan Anderson, Professor für Radiologie an der BU School of Medicine und Mitautor der Studie, könnte das akustische Metamaterial möglicherweise so skaliert werden, dass es „in die zentrale Bohrung eines MRI-Geräts passt“ und so die Patienten während des Bildgebungsprozesses vor dem Schall abschirmt.

Zhang sagt, dass die Möglichkeiten unbegrenzt sind, da die Methode zur Geräuschminderung an nahezu jede Umgebung angepasst werden kann: „Die Idee ist, dass wir jetzt mathematisch ein Objekt entwerfen können, das die Geräusche von allem blockieren kann“, sagt sie.