Materialwissenschaft
Stille aus Seide geboren: Neuer Horizont eröffnet im Kampf gegen die Plage des Lärms
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Stille ist kostbar. Laut dem American Institute of Stress zeigen bis zu 77 Prozent der Menschen in den Vereinigten Staaten körperliche Anzeichen von Stress im Alltag, und eine tägliche Ruhephase kann ihnen helfen, sich zu entspannen und das Stressniveau zu senken.
Stille hilft, den Blutdruck zu senken, Konzentration und Fokus zu verbessern, Schlaflosigkeit zu lindern, Achtsamkeit zu fördern und mehr.
Aber ist es einfach, in unserem heutigen städtischen Leben Ruhe zu finden? Nehmen wir zum Beispiel Mumbai, die Wirtschaftshauptstadt Indiens. Dort wurden Lärmpegel von fast 124 Dezibel gemessen. Solche hohen Schallpegel liegen etwa zwischen dem Betrieb einer Kettensäge (120 dB) und dem Start von Militärjets.
In NYC erhielt das New York City Department of Buildings in einem Jahr bis zu 3.700 Lärmbeschwerden, darunter Geräusche von Bauarbeiten, Verkehrsstau (75 dB bis 80 dB), quietschenden U-Bahnen (80 dB bis 100 dB) und Presslufthämmern (110 dB).
Die Frage ist, wie wir einen ruhigen Ort finden können, wenn unsere unvermeidlichen täglichen Lebensbereiche so laut sind?
Forscher denken schon seit einiger Zeit über Lösungen nach. Eine interdisziplinäre Zusammenarbeit von Forschern des MIT und anderer Institutionen hat eine Lösung entwickelt: ein schallunterdrückendes Seidengewebe.
Schallunterdrückendes Seidengewebe zur Schaffung ruhiger Räume
Das für die Seide verwendete Gewebe ist kaum dicker als ein menschliches Haar. Die Anlegung einer Spannung lässt die Faser, die verwendet wurde, um dieses Gewebe herzustellen, vibrieren. Und genau diese Vibrationen helfen, den Schall zu unterdrücken.
Auf einer grundlegenden und vorhersehbaren Ebene interferieren die durch das vibrierende Gewebe erzeugten Schallwellen mit unerwünschtem Lärm und heben ihn auf. Diese Technik ist wirksam nur, wenn sie in einem kleinen Raum angewendet wird. Geräuschunterdrückende Kopfhörer, da sie nur im begrenzten Raum unserer Ohren wirken, nutzen dieses Prinzip der Lärmunterdrückung.
Doch dieses Gewebe geht einen Schritt über die herkömmliche Geräuschunterdrückung hinaus, indem es Vibrationen unterdrückt, die grundlegend für die Schallübertragung sind. Es kann den Schall in einem viel größeren Raum, wie einem Wohnzimmer, dämpfen.
Die Forscher testeten die Wirksamkeit beider Methoden zur Lärmunterdrückung. Im direkten Unterdrückungsmodus konnte das Seidengewebe die Lautstärke um bis zu 65 Dezibel reduzieren. Im zweiten Modus, bei dem die Vibrationsunterdrückung entscheidend ist, konnte das Gewebe die Schallübertragung um bis zu 75 Prozent verringern.
Ein weiterer wichtiger Aspekt der Erfindung war, dass sie leicht verfügbare Materialien wie Seide, Leinwand und Musselin verwendet. Sie hat zahlreiche praktische Anwendungen, etwa das Erstellen von Trennwänden in offenen Arbeitsbereichen und das Anbieten dünner Stoffwände, um das Eindringen von Schall zu verhindern.
Während er über den Erfolg dieses schallunterdrückenden Seidengewebes sprach, sagte Professor Yoel Fink, der an den Abteilungen für Materialwissenschaft und Ingenieurwesen sowie Elektrotechnik und Informatik tätig ist, Folgendes:
“Lärm zu erzeugen ist viel einfacher als Ruhe zu schaffen. Um Lärm fernzuhalten, widmen wir viel Platz dicken Wänden. Die Arbeit von [First author] Grace bietet einen neuen Mechanismus, um ruhige Räume mit einem dünnen Stoffblatt zu schaffen.”
Allerdings ist dies nicht das erste Mal, dass die beteiligten Forscher einen neuartigen Ansatz zur Schallunterdrückung verfolgten. Die Gruppe versuchte, Stoffmikrofone zu erstellen, indem sie einen einzelnen piezoelektrischen Faden in das Gewebe nähte. Diese piezoelektrischen Materialien erzeugten ein elektrisches Signal beim Zusammendrücken oder Biegen. Sie wandelten Schallvibrationen ebenfalls in Signale um. Obwohl die Methode ihr Potenzial zeigte, konnte sie nicht über einen begrenzten Raum hinaus funktionieren.
Mit der aktuellen Forschung an schallunterdrückenden Seidenfasern wollen die Forscher in Zukunft untersuchen, wie ihre Lösung mehrere Frequenzen blockieren kann.
Laut Grace Yang:
“Es gibt viele Stellschrauben, die wir drehen können, um dieses schallunterdrückende Gewebe effektiv zu machen. Wir wollen die Menschen dazu bringen, über die Kontrolle struktureller Vibrationen nachzudenken, um Schall zu unterdrücken. Das ist erst der Anfang.”
Der Drang, unerwünschten Lärm zu beseitigen, ist ein Symptom unserer Zeit. Forscher wurden inspiriert, in diesem Bereich Lösungen zu entwickeln. Vor ein paar Jahren versuchten Forscher, akustische Metamaterialien zu nutzen, um Lärm zu blockieren.
Stille erreichen durch akustische Metamaterialien
In den grundlegenden wissenschaftlichen Begriffen ist ein Metamaterial „künstlich strukturierte Materialien, die den Fluss elektromagnetischer Wellen oder möglicherweise jeder anderen Art physikalischer Wellen steuern und formen.“
Xin Zhang, Professor für Maschinenbau an der Boston University, entwickelte diese schallunterdrückende Lösung, die mit akustischen Metamaterialien gebaut wurde, um Lärm zu blockieren und gleichzeitig den Luftstrom zu erhalten.
Zhang bildete ein Team mit dem Doktoranden Reza Ghaffarivarda und nutzte Metamaterialien, mathematische Berechnungen und ein offenes, ringförmiges Strukturdesign, um einen offenen Schalldämpfer zu schaffen, der eine effiziente Belüftung aufrechterhalten und unerwünschte akustische Wellen um bis zu 94 Prozent reduzieren kann.
Das von dem Duo entworfene Schalldämpfungsgerät kann als „ultra-offener akustischer Metamaterial‑Schalldämpfer“ bezeichnet werden, der eine große zentrale Öffnung mit 60 % Luftdurchsatz hat. Sein zentrales Anschlussstück ist von sechs helicalen Kanälen umgeben. Dadurch kann das Anschlussstück eine gegenphasige Welle auf der Senderseite erzeugen. Die akustischen Wellen, die durch das zentrale und die helicalen Kanäle erzeugt werden, heben sich gegenseitig auf, wodurch die Übertragung praktisch null wird und Stille entsteht.
Für die praktische Umsetzung versiegelten die Forscher einen Lautsprecher an einem Ende eines PVC‑Rohrs und befestigten den akustischen Metamaterial‑Schalldämpfer am anderen Ende. Der Lautsprecher spielte mit hoher Lautstärke am geschlossenen Ende des Rohrs, und am offenen Ende war kein Ton zu hören, bis der Schalldämpfer installiert war.
Während er seine Pläne mit der Lösung erklärte, die bereits Interesse von großen Unternehmen aus vielen Branchen geweckt hat, sagte Zhang:
“Der ultra‑offene Metamaterial‑Schalldämpfer bietet das Potenzial, Umweltlärm aus verschiedenen Quellen zu mindern. Wir freuen uns darauf, viele neue Möglichkeiten zu erkunden, bei denen unser Design Menschen, unsere Umwelt und Arbeitsbedingungen zugutekommen kann, indem es Lärm reduziert.”
Es ist jetzt klar, dass diese Lösungen, ungeachtet ihrer scheinbaren Einfachheit durch effizientes Design, wirksam ihrem Zweck dienen. Es ist ziemlich offensichtlich, dass Unternehmen im Bereich Klang und Akustik solche Lösungen in Betracht ziehen werden. Im Folgenden werden wir einige Unternehmen diskutieren, die in die Forschung und Ressourcen investiert haben, um neue Wege zur Lärmunterdrückung zu finden.
#1. Silentium
Silentium ist bekannt für seine einzigartige Active Noise Control (ANC)-Technologie. Es bietet eine vollspektrale, störungsbasierte Schallmanagement‑Lösung mit proprietären Algorithmen. Diese Algorithmen können sich an Änderungen des Lärmspektrums anpassen und Ergebnisse von fast 10 dB (A) Lärmreduktion erzielen.
Wie das schallunterdrückende Seidengewebe funktionieren Silentium‑Lösungen ebenfalls in vergleichsweise größeren Räumen, etwa im Innenraum eines Autos. Die ‘Quiet Bubble’-Technologie reduziert Lärm, indem sie die physikalischen Eigenschaften des unerwünschten Schallfeldes in einer gewünschten Ruhezone synthetisiert. Die Methode basiert auf einem Mehrkanal‑Algorithmus, der das Schallfeld steuern kann, das von einem Array von Lautsprechern erzeugt wird.
Die Silentium Quiet Bubble-Lösung kann bei lauten Haushaltsgeräten, in Automobilprodukten zur Reduzierung von Geräuschen durch Wind, Reifen, Motor und HLK, in industriellen Anlagen zur Schaffung einer ruhigen Arbeitsumgebung und sogar in Verkehrsmitteln wie Zügen, Flughäfen und Bahnhöfen eingesetzt werden.
Die Quiet Bubble End‑to‑End‑Lösung von Silentium wird als komplettes schlüsselfertiges Angebot mit sowohl Software‑ als auch Hardware‑Elementen bereitgestellt.
Laut den neuesten Nachrichten hat Silentium eine erweiterte Series D abgeschlossen. Das Unternehmen schloss die Runde mit insgesamt US$ 63 Millionen ab. Menora Mivtachim und Meitav Dash, beide israelische institutionelle Investoren, führten die Runde.
Das Unternehmen hat zudem den globalen Elektronikkonzern Molex als einen seiner Investoren. Während er eine Vorstellung davon gab, wie die Zukunft für Silentium aussehen könnte, sagte Yoel Naor, der CEO des Unternehmens, Folgendes:
“Wir begrüßen neue Partner, die dieselbe Leidenschaft für Akustik teilen und den Wert darin sehen, Privatsphäre und Wohlbefinden durch persönliche Schallräume zu verbessern. Mit dieser neuen Investition werden wir die Entwicklung und Einführung unserer Active Acoustics‑Softwarelösungen für Fahrzeughersteller und Automobilzulieferer skalieren – insbesondere da sich die NVH‑Anforderungen in der neuen Ära der elektrischen und autonomen Mobilität weiterentwickeln.”
#2. Zero Sound
Das Unternehmen verspricht hochwertige aktive Geräuschunterdrückung für eine Reihe von Anwendungsfällen, vom Inneren eines lauten Taxis bis hin zu großen Außensportstadien. Eine Skalierung ist möglich, weil die Kernlösung aus einem Paneel besteht. Die Anzahl der Paneele kann erhöht werden, um den Lärm je nach Anwendungsfeld zu canceln. Zero Sound behauptet, dass seine Lösungen aktiv Lärm reduzieren können, um bis zu 92 %.
Durch den Einsatz von mehr als zehn ZS‑Aktiv‑Digital‑Noise‑Suppression‑Paneelen zusammen kann man den Lärmunterdrückungsbedarf von Industriekomplexen, Baustellen, Stadien, Bahn‑ und Straßenkreuzungen decken.
Ein bis neun Paneele reichen aus, um ein Unterdrückungsnetzwerk für Stromgeneratoren, Industrieanlagen, Bohrungen und Baustellen zu schaffen.
Mehr als fünf Paneele reichen für einen geschlossenen Raum, wie er in Büroinnenräumen, Krankenhäusern, Serverräumen und Hotels vorkommt. Und ein bis vier Paneele sind ausreichend für die Kabinen von Einsatzfahrzeugen, schweren Geräten und landwirtschaftlichen Geräten.
Laut verfügbaren Daten schloss Zero Sound im Mai 2018 eine Finanzierungsrunde über CA$880,000 ab.
Lärm bekämpfen: die allgegenwärtige Gefahr überschrittener Grenzen
Die Europäische Union erkennt eindeutig an, dass Lärmbelästigung ein großes Problem für die menschliche Gesundheit und die Umwelt darstellt. Während eine langfristige Belastung durch Lärm zu Ärger, Schlafstörungen und negativen Auswirkungen auf das Herz und das Stoffwechselsystem führen kann, kann Umweltlärm kognitiv beeinträchtigte Kinder zur Folge haben.
Laut den Schätzungen der EEA ist Umweltlärm die treibende Ursache für jährlich 48.000 neue Fälle von ischämischer Herzkrankheit und 12.000 vorzeitige Todesfälle. Umweltlärm trägt auch zu chronischer starker Ärgernis bei 22 Millionen Menschen und chronischer starker Schlafstörung bei 6,5 Millionen Menschen bei. Mehr als 12.000 Schulkinder leiden an Leseschwierigkeiten allein durch Fluglärm.
Die Bekämpfung der Gefahren von Lärm ist daher eine Aufgabe, die umfassend angegangen werden muss. Einer der verwundbarsten Bereiche unter all diesen, in dem eine große Zahl von Menschen in einem sehr kleinen Raum betroffen ist, ist der industrielle Raum.
Zahlen deuten darauf hin, dass bis zu 22 Millionen US‑Arbeiter gefährlichen Lärmpegeln am Arbeitsplatz ausgesetzt sein könnten. Viele neue Strategien wurden eingesetzt, um diese Gefahr des industriellen Lärms unter Kontrolle zu halten.
Das dämpfende Zwischenschichtverfahren – erreicht durch das Platzieren des Dämpfungsmaterials zwischen zwei Metallplatten – hat sich als nützliche Methode zur Reduzierung von Maschinenvibrationen erwiesen.
Für den Hausgebrauch hat ein Forscherteam in Singapur die innovative Idee von geräuschunterdrückenden Fenstern entwickelt. Die Montage dieser Systemlösungen an Fensterrahmen kann eingehende Geräusche um 50 % reduzieren.
Sensoren spielen eine Schlüsselrolle für den Erfolg dieser Methode. Diese Sensoren erkennen eingehenden Lärm und spielen einen Klang mit einer ähnlichen, aber invertierten Wellenform ab, sodass diese gegenphasigen Schallwellen den eingehenden Wellen entgegenwirken und sie vor dem Weiterkommen zerstreuen.
Eine der fortschrittlichsten und spannendsten Lösungen der letzten Jahre ist Schaumstoff zur Schalldämmung auf Nanotechnologiebasis. Er nutzt Nanotechnologie, um Schallwellen in Wärme umzuwandeln. Die Lösung ist zugänglich und skalierbar, da sie handelsüblichen Schallschutzschaum als Basis verwendet. Dieser Schaum wird dann mit einem Nanopulver injiziert, um mikroskopische Kanäle darin zu erzeugen. Diese Kanäle oder Röhrchen wandeln akustische Vibrationen in Wärme um und zerstreuen so den Schall.
Die Bekämpfung der Lärmplage erfordert weitere innovative Lösungen und die Bereitschaft großer Hersteller und Industrieakteure, in Schallunterdrückungslösungen klug zu investieren. Da Schall nicht sichtbar ist, verfehlt seine Bedrohung oft das Radar. Seine Schädlichkeit wird erst deutlich, wenn wir den Schaden erkennen, den er unserem Körper und unserem Inneren zugefügt hat. Es erfordert mehr Bewusstsein, das ist sicher!
