Vivimos en un mundo muy ruidoso. Desde el zumbido del tráfico fuera de su ventana hasta el televisor a todo volumen del vecino de al lado y los sonidos del cubículo de un compañero de trabajo, el ruido no deseado sigue siendo un problema rotundo.
Para eliminar el ruido, una colaboración interdisciplinaria de investigadores del MIT y otros lugares desarrolló una tela de seda que suprime el sonido y que podría usarse para crear espacios tranquilos.
La tela, que es apenas más gruesa que un cabello humano, contiene una fibra especial que vibra cuando se le aplica voltaje. Los investigadores aprovecharon esas vibraciones para suprimir el sonido de dos maneras diferentes.
En uno, la tela vibrante genera ondas sonoras que interfieren con un ruido no deseado para cancelarlo, similar a los auriculares con cancelación de ruido, que funcionan bien en un espacio pequeño como los oídos, pero no en recintos grandes como habitaciones o aviones.
En la otra técnica, más sorprendente, la tela se mantiene quieta para suprimir las vibraciones que son clave para la transmisión del sonido. Esto evita que el ruido se transmita a través de la tela y silencia el volumen más allá. Este segundo enfoque permite reducir el ruido en espacios mucho más grandes, como habitaciones o automóviles.
Utilizando materiales comunes como seda, lona y muselina, los investigadores crearon telas supresoras de ruido que serían prácticas de implementar en espacios del mundo real. Por ejemplo, se podría utilizar una tela de este tipo para hacer divisores en espacios de trabajo abiertos o paredes de tela delgada que impidan el paso del sonido.
«Es mucho más fácil crear ruido que silencio. De hecho, para evitar el ruido dedicamos mucho espacio a paredes gruesas. [First author] El trabajo de Grace proporciona un nuevo mecanismo para crear espacios tranquilos con una fina lámina de tela», dice Yoel Fink, profesor de los departamentos de Ciencia e Ingeniería de Materiales e Ingeniería Eléctrica e Informática, investigador principal del Laboratorio de Investigación de Electrónica y autor principal. de un papel sobre la tela.
La autora principal del estudio es Grace (Noel) Yang SM ’21, PhD ’24. Los coautores incluyen a los estudiantes graduados del MIT Taigyu Joo, Hyunhee Lee, Henry Cheung y Yongyi Zhao; Zachary Smith, profesor de desarrollo profesional de ingeniería química Robert N. Noyce en el MIT; el estudiante de posgrado Guanchun Rui y el profesor Lei Zhu de la Universidad Case Western; el estudiante de posgrado Jinuan Lin y el profesor asistente Chu Ma de la Universidad de Wisconsin en Madison; y Latika Balachander, estudiante de posgrado de la Escuela de Diseño de Rhode Island. Un artículo de acceso abierto sobre la investigación apareció recientemente en Materiales avanzados.
silencio sedoso
La seda que suprime el sonido se basa en el trabajo previo del grupo para crear micrófonos de tela.
En esa investigación, cosieron una sola hebra de fibra piezoeléctrica en una tela. Los materiales piezoeléctricos producen una señal eléctrica cuando se aprietan o se doblan. Cuando un ruido cercano hace que la tela vibre, la fibra piezoeléctrica convierte esas vibraciones en una señal eléctrica, que puede capturar el sonido.
En el nuevo trabajo, los investigadores cambiaron esa idea para crear un altavoz de tela que puede usarse para cancelar las ondas sonoras.
«Si bien podemos usar telas para crear sonido, ya hay mucho ruido en nuestro mundo. Pensamos que crear silencio podría ser aún más valioso», dice Yang.
La aplicación de una señal eléctrica a la fibra piezoeléctrica hace que vibre, lo que genera sonido. Los investigadores lo demostraron tocando «Air» de Bach utilizando una hoja de seda de 130 micrómetros montada sobre un marco circular.
Para permitir la supresión directa del sonido, los investigadores utilizan un altavoz de tela de seda para emitir ondas sonoras que interfieren destructivamente con las ondas sonoras no deseadas. Controlan las vibraciones de la fibra piezoeléctrica para que las ondas sonoras emitidas por la tela sean opuestas a las ondas sonoras no deseadas que golpean la tela, lo que puede cancelar el ruido.
Sin embargo, esta técnica sólo es eficaz en un área pequeña. Entonces, los investigadores partieron de esta idea para desarrollar una técnica que utiliza vibraciones de telas para suprimir el sonido en áreas mucho más grandes, como un dormitorio.
Digamos que tus vecinos de al lado están jugando al futbolín en medio de la noche. Escuchas ruido en tu habitación porque el sonido en su departamento hace que la pared compartida vibre, lo que forma ondas sonoras en tu costado.
Para suprimir ese sonido, los investigadores podrían colocar la tela de seda en su lado de la pared compartida, controlando las vibraciones en la fibra para obligar a la tela a permanecer quieta. Esta supresión mediada por vibraciones evita que el sonido se transmita a través de la tela.
«Si podemos controlar esas vibraciones y evitar que sucedan, también podemos detener el ruido que se genera», dice Yang.
Un espejo para el sonido
Sorprendentemente, los investigadores descubrieron que mantener la tela quieta hace que la tela refleje el sonido, lo que da como resultado una fina pieza de seda que refleja el sonido como lo hace un espejo con la luz.
Sus experimentos también revelaron que tanto las propiedades mecánicas de un tejido como el tamaño de sus poros afectan la eficiencia de la generación de sonido. Si bien la seda y la muselina tienen propiedades mecánicas similares, los tamaños de poro más pequeños de la seda la convierten en un mejor altavoz de tela.
Pero el tamaño efectivo de los poros también depende de la frecuencia de las ondas sonoras. Si la frecuencia es lo suficientemente baja, incluso un tejido con poros relativamente grandes podría funcionar eficazmente, afirma Yang.
Cuando probaron la tela de seda en modo de supresión directa, los investigadores descubrieron que podía reducir significativamente el volumen de los sonidos hasta 65 decibelios (aproximadamente tan alto como una conversación humana entusiasta). En el modo de supresión mediada por vibraciones, la tela podría reducir la transmisión del sonido hasta en un 75 por ciento.
Estos resultados sólo fueron posibles gracias a un grupo sólido de colaboradores, dice Fink. Los estudiantes de posgrado de la Escuela de Diseño de Rhode Island ayudaron a los investigadores a comprender los detalles de la construcción de telas; los científicos de la Universidad de Wisconsin en Madison realizaron simulaciones; investigadores de la Universidad Case Western Reserve caracterizaron materiales; e ingenieros químicos del Grupo Smith del MIT utilizaron su experiencia en separación de membranas de gas para medir el flujo de aire a través de la tela.
En el futuro, los investigadores quieren explorar el uso de su tejido para bloquear el sonido de múltiples frecuencias. Esto probablemente requeriría un procesamiento de señales complejo y electrónica adicional.
Además, quieren estudiar más a fondo la arquitectura del tejido para ver cómo cambiar cosas como el número de fibras piezoeléctricas, la dirección en la que se cosen o los voltajes aplicados podrían mejorar el rendimiento.
«Hay muchas perillas que podemos girar para hacer que este tejido supresor de sonido sea realmente efectivo. Queremos que la gente piense en controlar las vibraciones estructurales para suprimir el sonido. Esto es sólo el comienzo», dice Yang.
Este trabajo está financiado, en parte, por la Fundación Nacional de Ciencias (NSF), la Oficina de Investigación del Ejército (ARO), la Agencia de Reducción de Amenazas de Defensa (DTRA) y la Fundación de Investigación de Antiguos Alumnos de Wisconsin.