Tystnad född ur silke: Ny horisont öppnas i kampen mot bullerhotet

Tystnad är dyrbar. Enligt American Institute of Stress visar så mycket som 77 procent av människor i USA visar vissa fysiska tecken på stress i deras vardag, och en period av tystnad varje dag kan hjälpa dem att slappna av och minska stressnivåerna. 

Tystnad hjälper till att sänka blodtrycket, förbättra koncentration och fokus, förbättra sömnlöshet, främja medveten närvaro och mer. 

Men är det lätt att uppnå tystnad i det urbana livet vi lever idag? Ta Mumbai, Indiens kommersiella huvudstad, som exempel. Den har sett sina ljudnivåer nå nära 124 decibel. Så höga ljudnivåer kan placeras någonstans mellan att köra en motorsåg (120 dB) och att lyfta militära jetplan. 

I NYC fick New York City Department of Buildings så många som 3 700 bullerklagomål på ett år, inklusive ljud från byggarbetsplatser, trafikstockning (75 dB till 80 dB), gnisslande tunnelbanor (80 dB till 100 dB) och tryckluftsborrar (110 dB).

Frågan är, hur hittar vi en plats av tystnad när våra oundvikliga dagliga livskomponenter är så bullriga?

Forskare har funderat på lösningar under en längre tid nu. Ett tvärvetenskapligt samarbete mellan forskare från MIT och andra har utvecklat en lösning: ett ljuddämpande silkesmaterial.

Ljuddämpande silkesmaterial för att skapa tysta utrymmen

Tyget som används i silket är knappt tjockare än mänskligt hår. Tillämpning av en spänning får fibrerna som har använts för att skapa detta tyg att vibrera. Och det är dessa vibrationer som hjälper till att dämpa ljudet. 

På en grundläggande och mer förutsägbar nivå interfererar ljudvågorna som genereras av det vibrerande tyget med oönskat brus och annullerar dem. Denna teknik är effektiv endast när den tillämpas inom ett litet utrymme. Brusreducerande hörlurar, eftersom de bara fungerar i det begränsade utrymmet runt våra öron, bygger på detta princip för brusreducering. 

Men detta tyg går ett steg längre än konventionell brusreducering genom att dämpa vibrationer som är grundläggande för ljudöverföring. Det kan dämpa ljud i ett vardagsrums mycket större utrymme. 

Forskarna testade effektiviteten av båda ljuddämpningsmetoderna. I det direkta dämpningsläget kunde silketygdet minska ljudvolymen med upp till 65 decibel. I det andra läget, där vibrationsannullering är nyckeln, kunde tyget minska ljudöverföringen med upp till 75 procent.

En annan avgörande aspekt av uppfinningen var att den använde lättillgängliga material som silke, canvas och muslin. Den har hög praktisk tillämpning, såsom att skapa avdelare i öppna arbetsplatser och erbjuda tunna tygväggar för att förhindra att ljud tränger igenom. 

När han talade om den framgång som detta ljuddämpande silke kan uppnå, hade Yoel Fink, professor i avdelningarna för materialvetenskap och ingenjörskonst samt elektroteknik och datavetenskap, följande att säga:

“Det är mycket lättare att skapa buller än tystnad. För att hålla buller ute ägnar vi mycket utrymme åt tjocka väggar. [First author] Graces arbete ger en ny mekanism för att skapa tysta utrymmen med ett tunt tygstycke.”

Det är dock inte första gången som forskargruppen som är involverad i detta försök har gått för en ny metod för att dämpa ljud. Gruppen försökte skapa tygmikrofoner genom att sy in en enda tråd av piezoelektrisk fiber i tyget. Dessa piezoelektriska material producerade en elektrisk signal vid klämning eller böjning. De omvandlade även ljudvibrationer till signaler. Även om metoden kunde visa sitt värde, kunde den inte fungera utanför ett begränsat utrymme. 

Med den nuvarande forskningen på ljuddämpande silkefiber vill forskarna undersöka hur deras lösning kan blockera ljud av flera frekvenser i framtiden. 

Enligt Grace Yang:

“Det finns många reglage vi kan justera för att göra detta ljuddämpande tyg effektivt. Vi vill få människor att tänka på att kontrollera strukturella vibrationer för att dämpa ljud. Detta är bara början.”

Drivkraften att eliminera oönskat buller är ett symptom på vår tid. Forskare har inspirerats att utveckla lösningar inom detta område. För ett par år sedan försökte forskare utnyttja akustiska metamaterial för att blockera ljud.

Uppnå tystnad genom akustiska metamaterial

I grundläggande vetenskapliga termer är ett metamaterial är “artificiellt strukturerade material som kontrollerar och formar flödet av elektromagnetiska vågor eller möjligen någon annan typ av fysiska vågor.” 

Xin Zhang, professor i maskinteknik vid Boston University, utvecklade denna tystnadsdämpande lösning, byggd med akustiska metamaterial, för att blockera buller samtidigt som luftflödet bevaras. 

Zhang bildade ett team med doktorand Reza Ghaffarivarda och använde metamaterial, matematiska beräkningar och en öppen, ringliknande strukturell design för att skapa en öppen ljuddämpare som kunde upprätthålla effektiv ventilation samtidigt som oönskade akustiska vågor minskades med upp till 94 procent.

Den ljuddämpande enhet som duon designade kan kallas eller ses som en “ultra-öppen akustisk metamaterialdämpare” som har en stor central öppning med 60 % luftflöde. Dess centrala port är omsluten av sex helikala kanaler. Som resultat kan porten generera en fasförskjuten våg på sändarsidan. De akustiska vågorna som genereras när de träffar den centrala och de helikala kanalerna annullerar varandra, vilket i praktiken nollställer överföringen och skapar tystnad.

För funktionell, praktisk implementering förseglade forskarna en högtalare i ena änden av ett PVC-rör och fäste den akustiska metamaterialdämparen i den andra änden. Ljud spelades genom högtalaren med hög volym i den slutna änden av röret och kunde inte höras i den öppna änden förrän dämparen var på plats.

När han förklarade sina planer med lösningen, som redan har fått intresse från stora företag inom många branscher, sade Zhang:

“Den ultra-öppna metamaterialdämparen erbjuder potentialen att minska miljöbuller från olika källor. Vi är glada över att utforska många nya möjligheter där vår design kan gynna människor, vår miljö och arbetsförhållanden genom att minska buller.”

Det är nu tydligt att dessa lösningar, oavsett hur enkla de verkar genom sina effektiva designer, är effektiva i att uppfylla sitt syfte. Det är ganska uppenbart att företag inom ljud- och akustikområdet kommer att överväga sådana lösningar. Nedan kommer vi att diskutera ett par företag som har investerat forskning och resurser i att hitta nya sätt att dämpa buller. 

#1. Silentium

Silentium är känt för sin unika Active Noise Control (ANC)-teknik. Det erbjuder en fullspektral störningsljudhanteringslösning som involverar proprietära algoritmer. Dessa algoritmer kan anpassa sig till förändringar i bullerspektrat och uppnå resultat på nästan 10 dB (A) bullerreducering. 

Precis som det ljuddämpande silket fungerar Silentiums lösningar också i relativt större utrymmen, som inne i en bil. Dess ‘Quite Bubble’-teknik minskar buller genom att syntetisera de fysiska egenskaperna hos det oönskade bullerfältet i en önskad tyst zon. Metoden är byggd på en multikanalalgoritm som kan kontrollera ljudfältet som produceras av en array av högtalare. 

Silentium Quiet Bubble-lösningen kan användas på bullriga hushållsapparater, i bilprodukter för att minska ljudet från vind, däck, motor och HVAC, i industriella miljöer för att skapa en tyst arbetsmiljö, och även inom transportmedel som tåg, flygplatser och stationer. 

Quiet Bubble end-to-end-lösningen från Silentium levereras som ett komplett nyckelfärdigt erbjudande med både mjukvara och hårdvara.  

Enligt de senaste nyheterna hade Silentium en utökad Series D. Företaget avslutade rundan med totalt 63 miljoner US$. Menora Mivtachim och Meitav Dash, båda israeliska institutionella investerare, ledde rundan. 

Företaget har också den globala elektronikledaren Molex som en av sina investerare. När han gav en idé om hur framtiden kan se ut för Silentium, hade Yoel Naor, företagets VD, följande att säga:

“Vi välkomnar nya partners som delar samma passion för akustik och ser värdet i att förbättra integritet och välbefinnande genom personliga ljudutrymmen. Med denna nya investering kommer vi att skala upp utvecklingen och utrullningen av våra Active Acoustics-mjukvarulösningar för fordonstillverkare och leverantörer inom bilindustrin – särskilt när NVH-kraven utvecklas i den nya eran av elektrisk och autonom mobilitet.”

#2. Zero Sound

Företaget lovar högkvalitativ aktiv brusreducering för en rad användningsområden, från insidan av en bullrig taxi till stora utomhusarenor. Uppskalning är möjlig eftersom kärnlösningen består av en panel. Antalet paneler kan ökas för att annullera buller enligt tillämpningsområdet. Zero Sound påstår att deras lösningar kan aktivt annullera buller, vilket minskar det med upp till 92 %. 

Genom att installera mer än tio ZS aktiva digitala brusdämpningspaneler tillsammans kan man tillgodose behovet av brusreducering i industriella komplex, byggarbetsplatser, arenor, järnvägs- och vägkorsningar. 

Mellan en och nio paneler räcker för att skapa ett dämpningsnätverk för kraftgeneratorer, industriell utrustning, borrning och byggarbetsplatser. 

Mer än fem paneler räcker för ett slutet utrymme, såsom kontorsinteriörer, sjukhus, serverrum och hotell. Och mellan en och fyra paneler är tillräckligt för taxibilar för räddningsfordon, tung utrustning och jordbruksmaskiner. 

Enligt tillgängliga data hade Zero Sound en finansieringsrunda som avslutades på 880 000 CA$ i maj 2018. 

Bekämpa buller: den allestädes närvarande faran med överskridna gränser

Europeiska unionen erkänner utan tvekan bullerföroreningar som ett stort problem, både för människors hälsa och för miljön. Långvarig exponering för buller kan leda till irritation, sömnstörningar och negativa effekter på människans hjärta och metaboliska system, och miljöbuller kan resultera i kognitivt nedsatta barn. 

Enligt EEA:s uppskattningar är miljöbuller den främsta orsaken till 48 000 nya fall av ischemisk hjärtsjukdom per år och 12 000 för tidiga dödsfall. Miljöbuller bidrar också till kronisk hög irritation bland 22 miljoner människor och kronisk hög sömnstörning bland 6,5 miljoner människor. Mer än 12 000 skolelever lider av lässvårigheter enbart på grund av flygbuller.

Att bekämpa bullerfarorna är därför en uppgift som kräver ett helhetsangrepp. Ett av de mest sårbara områdena bland alla dessa, där ett stort antal människor påverkas inom ett mycket litet utrymme, är industrirummet. 

Siffror tyder på att så många som 22 miljoner amerikanska arbetare kan möta farliga bullernivåer på arbetsplatsen. Många nya strategier har införts för att hålla detta hot av industriellt buller under kontroll. 

Constrained layer damping—uppnådd genom att placera dämpningsmaterialet mellan två metallplåtar—har varit en användbar metod för att minska vibrationer som genereras av maskiner. 

För hushållsbruk har en grupp forskare i Singapore kommit på den innovativa idén med bullerreducerande fönster. Montering av dessa systemlösningar på fönstergaller kan minska inkommande ljud med 50 %. 

Sensorer spelar en nyckelroll för att göra denna metod framgångsrik. Dessa sensorer upptäcker inkommande buller och spelar upp ett ljud med en liknande men inverterad vågform så att dessa fasförskjutna ljudvågor kan motverka de inkommande vågorna och dämpa dem innan de går vidare.

En av de mest sofistikerade och spännande lösningarna som har dykt upp de senaste åren är nanoteknologisk ljudisoleringsskum. Den använder nanoteknik för att omvandla ljudvågor till värme. Lösningen är tillgänglig och redo för uppskalning, eftersom den använder befintlig färdigköpt ljudisoleringsskum som bas. Sådant skum injiceras sedan med ett nanopulver för att skapa mikroskopiska kanaler i det. Dessa kanaler eller rör omvandlar akustiska vibrationer till värme, vilket dämpar ljudet.

Att bekämpa bullerhotet kräver fler innovativa lösningar och viljan hos stora tillverkare och branschaktörer att investera klokt i ljuddämpningslösningar. Eftersom ljud inte är synligt missar dess hot ofta radarn. Dess skadlighet blir tydlig först när vi inser den skada det har orsakat våra kroppar och vårt inre jag. Det kräver definitivt mer medvetenhet! 

Klicka här för att lära dig allt om att rädda liv med AI-förbättrad bullerdämpning.