材料科学
シルクから生まれる静寂: 騒音の脅威に対抗する新たな地平が開く
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静寂は貴重です。米国ストレス研究所によると、米国の人々の77％が日常生活で身体的なストレスサインを示しており、1日1回の静寂な時間がリラックスし、ストレスレベルを下げるのに役立ちます。
静寂は血圧を下げ、集中力と注意力を向上させ、不眠を改善し、マインドフルネスを促進するなどの効果があります。
しかし、今日の都市生活で静寂を実現するのは簡単でしょうか？例としてインドの商業首都ムンバイを挙げます。同市の騒音レベルは124デシベルに近づいています。このような高音は、チェーンソー（120 dB）と軍用ジェット機の離陸音の間に位置すると言えます。
ニューヨーク市の建築局は、1年間に最大で3,700件の騒音苦情を受け取りました。その中には建設騒音、交通渋滞（75dB〜80dB）、軋む地下鉄（80dB〜100dB）、ジャックハンマー（110dB）の音が含まれます。
問題は、日常生活の不可避な要素がこれほど騒がしい中で、どのように静かな場所を見つけるかです。
研究者たちはかなりの期間、解決策を検討してきました。MIT などの研究者による学際的な協力により、解決策: 音を抑制するシルク繊維が開発されました。
静寂空間を創出する音抑制シルク繊維
シルクに使用される繊維は、人間の髪の毛ほどの太さしかありません。電圧を加えることで、この繊維は使用された この繊維を振動させます。そして、この振動が音を抑制するのに役立ちます。
基本的かつ予測可能なレベルでは、振動する繊維が生成する音波が不要な騒音と干渉し、相殺します。この手法は効果的です 小さな空間でのみ適用された場合に限ります。ノイズキャンセリングヘッドホンは、耳という限られた空間でのみ機能するため、このノイズキャンセルの原理を活かしています。
しかし、この繊維は音の伝達に不可欠な振動を抑制することで、従来のノイズキャンセルを一段階上回ります。リビングルームのようなはるかに広い空間でも音を抑制できます。
研究者は両方の音抑制方法の有効性をテストしました。直接抑制モードでは、シルク繊維は音量を最大65デシベル削減できました。第二のモードでは、振動キャンセルが鍵となり、音の伝達を最大75％削減できました。
この発明のもう一つの重要な点は、シルク、キャンバス、ムスリンといった入手しやすい素材を使用したことです。オープンオフィスの仕切りや、音が通り抜けない薄い布壁など、実生活での応用が高いです。
この音抑制シルクの成功について語る中で、材料科学・工学部と電気工学・コンピュータサイエンス部門の教授であるヨエル・フィンクは次のように述べました:
「騒音は静寂よりもはるかに作りやすいです。騒音を遮断するために、私たちは厚い壁に多くのスペースを割いています。[第一著者] グレースの研究は、薄い布シートで静かな空間を作る新しいメカニズムを提供します。」
しかし、この試みで関わった研究者グループが音を抑制するために新しいアプローチを取ったのは初めてではありません。彼らは、圧電繊維の一本を布に縫い付けて布マイクロフォンを作ろうとしました。これらの圧電素材は、圧縮や曲げにより電気信号を生成し、音の振動を信号に変換しました。この手法は価値があることが証明できましたが、限られた空間を超えては機能しませんでした。
現在の音抑制シルク繊維に関する研究では、将来的に複数の周波数の音をどのように遮断できるかを検討したいと考えています。
Grace Yangによると:
「この音抑制繊維を効果的にするために調整できる要素はたくさんあります。構造振動を制御して音を抑制することについて人々に考えてもらいたいです。これはまだ始まりに過ぎません。」
不要な騒音を排除したいという欲求は、現代の症状と言えます。研究者はこの分野で解決策を開発するインスピレーションを受けています。数年前、研究者は音を遮断するために音響メタマテリアルの活用を試みました。
音響メタマテリアルで静寂を実現する
科学的に言えば、 メタマテリアルは「人工的に構造化された材料で、電磁波や他の物理波の流れを制御・形成するもの」です。
ボストン大学機械工学部の教授、シン・ザンは、音響メタマテリアルを用いたこの静寂抑制ソリューションを開発し、空気流を保ちつつ騒音を遮断しました。
ザンは博士課程の学生レザ・ガファリヴァルダとチームを組み、メタマテリアル、数式計算、開放的なリング状構造設計を用いて、効率的な換気を維持しながら不要な音波を最大94％削減できるオープンサイレンサーを作り出しました。
この二人が設計したサイレンス装置は「超開放型音響メタマテリアルサイレンサー」と呼ばれ、60％の空気流量を持つ大きな中央開口部があります。その中央ポートは六つのらせんチャンネルで 包まれています。その結果、送信側で位相が逆の波を生成できます。中央とらせんチャンネルに当たる音波は互いに打ち消し合い、実質的に伝達を無効にし、静寂を生み出します。
実用的な現場実装のため、研究者はPVCパイプの一端にスピーカーを密閉し、もう一端に音響メタマテリアルサイレンサーを取り付けました。パイプの閉じた端から大音量で音を再生すると、サイレンサーがない限り開口部では音が聞こえませんでした。
このソリューションについて説明する中で、すでに多くの業界の大手企業から関心を集めていると語ったザンは:
「超開放型メタマテリアルサイレンサーは、さまざまな源からの環境騒音を軽減する可能性を提供します。私たちは、設計が人々や環境、労働条件を騒音低減で恩恵をもたらす新たな機会を多数探求できることに興奮しています。」
これらのソリューションは、効率的な設計によりシンプルに見えても、目的を果たすのに効果的であることが明らかです。それは かなり 明らかです、音響・音声分野の企業はこのようなソリューションを検討するでしょう。 以下では、騒音抑制の新たな方法に研究とリソースを投資した数社について紹介します。
#1. Silentium
Silentiumは独自のアクティブノイズコントロール（ANC）技術で知られています。独自アルゴリズムを用いたフルスペクトルの騒音管理ソリューションを提供し、騒音スペクトルの変化に適応して、約10 dB（A）の騒音低減を実現します。
音抑制シルクと同様に、Silentiumのソリューションは車内など比較的大きな空間でも機能します。その「Quiet Bubble」技術は、望ましい静寂領域で不要な騒音場の物理特性を合成することで騒音を低減します。その手法は複数チャンネルアルゴリズム上に構築されており、スピーカーアレイが生成する音場を制御できます。
SilentiumのQuiet Bubbleソリューションは、騒音の多い家庭用電化製品、車両の風音・タイヤ音・エンジン音・HVAC音の低減、産業環境での静かな作業環境の創出、さらには列車や空港、駅などの交通機関でも利用できます。
SilentiumのQuiet Bubbleエンドツーエンドソリューションは、ソフトウェアとハードウェアの両方を含む完全なターンキー提供です。
最新のニュースによると、Silentiumは拡張されたシリーズDラウンドを実施し、総額6,300万米ドルで資金調達を完了しました。イスラエルの機関投資家であるMenora MivtachimとMeitav Dashが主導しました。
同社は、グローバル電子部品リーダーのMolexも投資家の一つとして迎えています。 Silentiumの将来像について示す中で、同社CEOのヨエル・ナオールは次のように述べました:
「音響に対する同じ情熱を共有し、個人用サウンド空間によるプライバシーとウェルビーイングの向上に価値を見出す新たなパートナーを歓迎します。この新たな投資により、車両メーカーや自動車サプライヤー向けのActive Acousticsソフトウェアソリューションの開発と展開を拡大します。特に、電動・自律走行時代にNVH要件が進化する中で重要です。」
#2. Zero Sound
同社は高品質なアクティブノイズキャンセレーションを約束します 騒がしいタクシーの内部から大規模な屋外スタジアムまで、さまざまなユースケースに対応します。スケールアップが可能なのは、コアソリューションがパネルで構成されているためです。 パネルの数を増やすことで アプリケーションに応じて騒音をキャンセルできます。Zero Soundは、同社のソリューションが騒音を最大92％まで能動的に低減できると主張しています。
10枚以上のZSアクティブデジタルノイズ抑制パネルを組み合わせて展開すれば、産業コンプレックス、建設現場、スタジアム、鉄道・道路交差点の騒音低減ニーズに対応できます。
1枚から9枚のパネルで、発電機、産業機器、掘削、建設現場向けの抑制ネットワークを構築するのに十分です。
5枚以上のパネルで、オフィス内部、病院、サーバールーム、ホテルなどの閉鎖空間に十分です。また、1枚から4枚のパネルで、救急車や重機、農業機械のキャブに十分です。
利用可能なデータによると、Zero Soundは2018年5月にCA$880,000の資金調達ラウンドを完了しました。
騒音への対策: 交差する限界の遍在的危険
欧州連合は、明確に騒音公害を人間の健康と環境の両方にとって重大な問題と認識しています。長期的な騒音曝露は不快感、睡眠障害、心臓や代謝系への悪影響をもたらすだけでなく、環境騒音は認知機能障害を持つ子どもを生む可能性があります。
EEAの推計によると、環境騒音は年間48,000件の虚血性心疾患新規発症と12,000件の早死の主因です。また、環境騒音は2,200万人の慢性的な高い不快感と650万人の慢性的な睡眠障害に寄与しています。さらに、航空機騒音だけで12,000人以上の学童が読字障害に苦しんでいます。
したがって、騒音の危険に対処することは包括的な取り組みが必要です。その中でも、狭い空間で多数の人が影響を受けやすい最も脆弱な領域の一つが産業空間です。
統計によれば、米国では最大2,200万人の労働者が職場で有害な騒音レベルに直面している可能性があります。産業騒音の脅威を抑制するために、多くの新戦略が導入されました。
制約層減衰（ダンピング材を二枚の金属板の間に配置する方法）は、機械が生む振動を減らす有効な手法です。
国内向けに、シンガポールの研究者グループはノイズキャンセリング窓という革新的なアイデアを考案しました。これらのシステムを窓枠に取り付けることで、入ってくる音を50％削減できます。
この手法の成功にはセンサーが重要な役割を果たします。センサーは入ってくる騒音を検知し、類似した逆位相の波形の音を再生して、位相が逆の音波が入射波と相殺し、さらに伝搬する前にエネルギーを散逸させます。
近年登場した最も高度でエキサイティングな解決策の一つは、ナノテクノロジーを用いた防音フォームです。ナノテクノロジーで音波を熱に変換します。このソリューションは、市販の防音フォームをベースに使用するため、導入しやすくスケールアップも可能です。そのフォームにナノ粉末を注入し、微細なチャネルを形成します。これらのチャネルやチューブが音響振動を熱に変換し、音を散逸させます。
音の脅威に対抗するには、さらなる革新的な解決策と大手メーカーや業界プレーヤーが防音ソリューションに賢明に投資する意欲が必要です。音は目に見えないため、その脅威は見過ごされがちです。その有害性は、私たちの身体と精神に与えるダメージに気付いたときに初めて顕在化します。確かに、認識を高める必要があります。
