이 소음 억제 실크는 조용한 공간을 만들 수 있습니다.

우리는 매우 시끄러운 세상에 살고 있습니다. 창밖의 웅웅거리는 소음부터 옆집 이웃의 시끄러운 TV 소리, 동료의 칸막이실에서 나는 소리까지 원치 않는 소음은 여전히 ​​심각한 문제로 남아 있습니다.

소음을 줄이기 위해 MIT와 다른 곳의 연구원들의 학제간 협력을 통해 조용한 공간을 만드는 데 사용할 수 있는 소음 억제 실크 직물을 개발했습니다.

사람 머리카락 굵기의 얇은 원단에 전압을 가하면 진동하는 특수 섬유가 들어있습니다. 연구원들은 이러한 진동을 활용하여 두 가지 방법으로 소리를 억제했습니다.

하나는 진동 패브릭이 원하지 않는 소음을 방해하는 음파를 생성하여 상쇄하는 것입니다. 소음 제거 헤드폰과 유사하게 귀와 같은 작은 공간에서는 잘 작동하지만 방이나 비행기와 같은 큰 공간에서는 작동하지 않습니다.

또 다른 더 놀라운 기술은 소리 전달의 핵심인 진동을 억제하기 위해 직물을 고정시키는 것입니다. 이렇게 하면 소음이 직물을 통해 전달되는 것을 방지하고 그 너머의 볼륨을 조용하게 만듭니다. 이 두 번째 접근 방식을 사용하면 방이나 자동차와 같은 훨씬 더 넓은 공간에서 소음을 줄일 수 있습니다.

연구원들은 실크, 캔버스, 모슬린과 같은 일반적인 재료를 사용하여 실제 공간에서 구현하기에 실용적인 소음 억제 직물을 만들었습니다. 예를 들어, 이러한 패브릭을 사용하여 개방형 작업 공간에 칸막이를 만들거나 소리가 통과하지 못하게 하는 얇은 패브릭 벽을 만들 수 있습니다.

“소음은 조용한 것보다 만들기가 훨씬 쉽습니다. 사실 소음을 차단하기 위해 우리는 두꺼운 벽에 많은 공간을 할애합니다. [First author] Grace의 연구는 얇은 천 시트로 조용한 공간을 만드는 새로운 메커니즘을 제공합니다.”라고 전자공학 연구실이자 수석 저자인 재료 과학 및 공학, 전기 공학 및 컴퓨터 과학과 교수인 Yoel Fink는 말합니다. 직물에 종이의.

연구의 주요 저자는 Grace (Noel) Yang SM ’21, PhD ’24입니다. 공동 저자로는 MIT 대학원생 Taigyu Joo, 이현희, Henry Cheung, Yongyi Zhao가 있습니다. Zachary Smith, MIT 화학공학과 Robert N. Noyce 경력 개발 교수; 대학원생 Guanchun Rui와 Case Western University의 Lei Zhu 교수; 매디슨 위스콘신 대학의 대학원생 Jinuan Lin과 조교수 Chu Ma; 로드아일랜드 디자인 학교의 대학원생인 Latika Balachander도 있습니다. 연구에 관한 공개 액세스 논문이 최근에 게재되었습니다. 고급 소재.

부드러운 침묵

소음을 억제하는 실크는 패브릭 마이크를 만들기 위한 그룹의 이전 작업을 기반으로 만들어졌습니다.

그 연구에서 그들은 압전 섬유의 한 가닥을 직물에 꿰매었습니다. 압전 소재는 압착되거나 구부러지면 전기 신호를 생성합니다. 근처의 소음으로 인해 직물이 진동하면 압전 섬유가 이러한 진동을 전기 신호로 변환하여 소리를 포착할 수 있습니다.

새로운 연구에서 연구원들은 음파를 상쇄하는 데 사용할 수 있는 패브릭 확성기를 만들기 위해 아이디어를 뒤집었습니다.

“우리는 소리를 만들기 위해 직물을 사용할 수 있지만 이미 우리 세상에는 너무 많은 소음이 있습니다. 우리는 침묵을 만드는 것이 훨씬 더 가치 있을 수 있다고 생각했습니다.”라고 Yang은 말합니다.

압전섬유에 전기신호를 가하면 섬유가 진동하여 소리가 발생합니다. 연구원들은 원형 프레임에 장착된 130마이크로미터 실크 시트를 사용하여 바흐의 “공기”를 연주함으로써 이를 시연했습니다.

직접적인 소리 억제를 가능하게 하기 위해 연구원들은 실크 직물 확성기를 사용하여 원치 않는 음파를 파괴적으로 방해하는 음파를 방출합니다. 압전 섬유의 진동을 제어하여 직물에서 방출되는 음파가 직물에 부딪히는 원치 않는 음파의 반대가 되어 소음을 상쇄할 수 있습니다.

그러나 이 기술은 작은 영역에서만 효과적입니다. 그래서 연구원들은 침실과 같이 훨씬 더 넓은 공간에서 소리를 억제하기 위해 직물 진동을 사용하는 기술을 개발하기 위해 이 아이디어를 구축했습니다.

옆집 이웃이 한밤중에 풋볼 게임을 하고 있다고 가정해 보겠습니다. 침실에서 소음이 들리는 이유는 아파트의 소리로 인해 공유 벽이 진동하여 옆면에 음파가 형성되기 때문입니다.

그 소리를 억제하기 위해 연구원들은 실크 천을 공유 벽의 사용자 측에 배치하여 섬유의 진동을 제어하여 천이 가만히 있도록 할 수 있었습니다. 이러한 진동 매개 억제는 소리가 직물을 통해 전달되는 것을 방지합니다.

“우리가 이러한 진동을 제어하고 발생을 막을 수 있다면 발생하는 소음도 막을 수 있습니다”라고 Yang은 말합니다.

소리를 위한 거울

놀랍게도 연구원들은 천을 잡고 있으면 소리가 천에 반사되어 얇은 실크 조각이 거울처럼 빛을 반사하는 것을 발견했습니다.

그들의 실험은 또한 직물의 기계적 특성과 기공의 크기가 소리 생성 효율에 영향을 미치는 것으로 나타났습니다. 실크와 모슬린은 비슷한 기계적 특성을 갖고 있지만 실크의 기공 크기가 작을수록 더 나은 패브릭 스피커가 됩니다.

그러나 유효 기공 크기는 음파의 주파수에 따라 달라집니다. 빈도가 충분히 낮으면 상대적으로 큰 기공을 가진 직물도 효과적으로 기능할 수 있다고 Yang은 말합니다.

연구진은 직접 억제 모드에서 실크 직물을 테스트했을 때 소리의 크기를 최대 65데시벨(열정적인 인간 대화만큼 큰 소리)까지 크게 줄일 수 있다는 사실을 발견했습니다. 진동 매개 억제 모드에서 직물은 소리 전달을 최대 75%까지 줄일 수 있습니다.

이러한 결과는 강력한 협력자 그룹이 있었기 때문에 가능했다고 Fink는 말합니다. 로드아일랜드 디자인 학교(Rhode Island School of Design)의 대학원생들은 연구원들이 직물 구성의 세부 사항을 이해하도록 도왔습니다. 매디슨에 있는 위스콘신 대학교의 과학자들은 시뮬레이션을 수행했습니다. Case Western Reserve University의 연구원들은 재료를 특성화했습니다. MIT Smith Group의 화학 엔지니어들은 가스막 분리에 대한 전문 지식을 활용하여 직물을 통과하는 공기 흐름을 측정했습니다.

앞으로 연구원들은 여러 주파수의 소리를 차단하기 위해 직물을 사용하는 방법을 탐구하려고 합니다. 이를 위해서는 복잡한 신호 처리와 추가 전자 장치가 필요할 수 있습니다.

또한 그들은 압전 섬유의 수, 재봉 방향, 인가 전압과 같은 변화가 어떻게 성능을 향상시킬 수 있는지 확인하기 위해 직물의 구조를 더 연구하기를 원합니다.

“이 소음 억제 직물을 실제로 효과적으로 만들기 위해 돌릴 수 있는 손잡이가 많이 있습니다. 우리는 사람들이 소리를 억제하기 위해 구조적 진동을 제어하는 ​​것에 대해 생각하게 하고 싶습니다. 이것은 시작에 불과합니다.”라고 Yang은 말합니다.

이 연구는 NSF(National Science Foundation), ARO(Army Research Office), DTRA(Defense Threat Reduction Agency) 및 Wisconsin Alumni Research Foundation에서 부분적으로 자금을 지원받습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2024/05/240507152457.htm