Rivoluzione nel controllo del suono: tessuti di seta "innovativi" fonoassorbenti che catturano i rumori

Controllare il suono, si può: questo grazie a tessuti come la seta

I tessuti come la seta, grazie all'integrazione di attuatori piezoelettrici, possano emettere onde acustiche fino a 70 dB e ridurre il suono fino al 75%. Queste innovazioni promettono di trasformare il controllo del rumore in applicazioni che spaziano dall'abbigliamento all'architettura, offrendo soluzioni più leggere ed esteticamente gradevoli rispetto ai materiali tradizionali.

Che si tratti di generare intenzionalmente onde acustiche o di tentare di mitigare il rumore indesiderato, il controllo del suono è un'area di sfida e opportunità. Questo studio indaga i tessuti tradizionali come emettitori e soppressori del suono. Quando fissato a un singolo filo di un attuatore in fibra piezoelettrica, un tessuto di seta emette fino a 70 dB di suono. Nonostante la complessa struttura del tessuto, le misurazioni con il vibrometro rivelano un comportamento simile a quello di una piastra sottile classica.

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Si è scoperto che la dimensione dei pori del tessuto rispetto allo spessore dello strato limite viscoso influenza l'efficienza dell'emissione acustica, attraverso un'analisi comparativa dei tessuti. La soppressione del suono è dimostrata utilizzando due meccanismi distinti. Nel primo, l'interferenza acustica diretta riduce il suono fino a 37 dB.

Il secondo si basa sulla pacificazione delle vibrazioni del tessuto da parte della fibra piezoelettrica, riducendo l'ampiezza delle onde di vibrazione del 95% e attenuando il suono trasmesso fino al 75%. questa soppressione mediata dalle vibrazioni in teoria riduce il suono in un volume illimitato. Permette inoltre di controllare dinamicamente la riflettività acustica del tessuto, aumentandola fino al 68%. L'efficienza dell'emissione e della soppressione del suono di un tessuto di seta di 130 µm offre opportunità per il controllo del suono in una varietà di applicazioni che vanno dall'abbigliamento al trasporto all'architettura.

Il suono, uno stimolatore sensoriale onnipresente, ha una rilevanza significativa nell'esperienza umana, poiché coinvolge continuamente le nostre facoltà uditive e mentali. L'importanza del suono è sottolineata dalla sua duplice natura, che funge sia da strumento vitale per la comunicazione sia da potenziale fonte di danno, come dimostrato dal problema diffuso dell'inquinamento acustico. Considerato un problema di salute pubblica dall'Organizzazione Mondiale della Sanità, il rumore indesiderato può avere effetti nocivi sulla salute delle persone esposte cronicamente.

Solo negli Stati Uniti, si stima che 145 milioni di persone siano esposte a livelli di rumore pericolosi. Per sopprimere i livelli di rumore, vengono utilizzate soluzioni sia attive che passive.

La riduzione del rumore realizza la soppressione del suono in un piccolo volume e ha trovato un'applicazione significativa in cuffie e auricolari, dove è necessaria solo una piccola zona di quiete vicino al timpano.

La soppressione del suono volumetrica su larga scala, ad esempio in una stanza, viene realizzata principalmente attraverso approcci passivi, come la riflessione del suono utilizzando materiali con alta impedenza acustica o l'assorbimento del suono, tipicamente realizzato con strutture fibrose o schiume. Nonostante la loro ubiquità, questi materiali presentano prestazioni scarse alle basse frequenze, spesso necessitando di strati di materiale fonoassorbente di spessore compreso tra 15 e 100 mm.

Inoltre, le implicazioni estetiche e ambientali sono significative poiché molti di questi materiali sono fatti di idrocarburi.

L'assenza di materiali per la soppressione del suono che siano compatti, leggeri ed efficienti costituisce una limitazione, motivando la necessità insoddisfatta di barriere acustiche sottili e esteticamente gradevoli.

Obiettivi dello studio

Questo studio mira innanzitutto a identificare modalità per cui un tessuto tradizionale possa essere ingegnerizzato per trasmettere il suono. Successivamente, vengono esplorati due diversi meccanismi attraverso i quali un sottile tessuto può sopprimere efficacemente il suono.

Il primo implica l'emissione di onde acustiche fuori fase che interferiscono distruttivamente con il suono indesiderato, comunemente noto come "cancellazione attiva del rumore", e che noi chiameremo "soppressione acustica diretta". Il secondo approccio si basa sul fatto che gran parte del suono che percepiamo emana da o è trasmesso attraverso strutture solide vibranti. Pertanto, il secondo meccanismo sopprime le vibrazioni nel dominio mediatore, in questo caso il tessuto, per impedire la trasmissione del suono. Questo secondo meccanismo di riduzione del suono sarà definito "soppressione mediata dalle vibrazioni".

Caratterizzazione del tessuto con attuatore a fibra Piezoelettrica

Presentiamo la caratterizzazione di un tessuto contenente un singolo attuatore a fibra piezoelettrica che può funzionare come emettitore sonoro per la soppressione acustica diretta o per la soppressione mediata dalle vibrazioni.

La fibra è cucita su tre diversi tessuti e collegata a una membrana per creare degli emettitori sonori, la cui pressione sonora generata (SPL) e i modelli di vibrazione sono studiati per comprendere meglio le performance. Un modello agli elementi finiti in COMSOL convalida i risultati sperimentali. L'emettitore di tessuto dimostra un'emissione sonora efficace e una soppressione acustica diretta. Infine, il tessuto raggiunge una riduzione del suono del 75% mentre le sue vibrazioni sono sopresse fino al 95%, e può essere controllato per modulare la riflettività acustica.

Emissione sonora del tessuto nello stato sospeso e con condizioni di bordo fisse

La ricerca intorno ai trasduttori acustici flessibili o morbidi è un campo di crescente interesse per la modulazione acustica, la sensoristica di pressione e il controllo del suono. A questo scopo, sono stati sviluppati e migliorati i filamenti polimerici piezoelettrici termicamente disegnati per una maggiore sensibilità in varie applicazioni. Questo studio inizia con la produzione di un tessuto che emette suoni, coinvolgendo la fabbricazione iniziale di una fibra piezoelettrica che viene successivamente fissata sulla superficie del tessuto.

La fibra finale è lunga diverse decine di metri e ha una sezione trasversale di circa 1,25 mm per 0,65 mm, con uno spessore del dominio piezoelettrico di 30 µm. L'alto coefficiente piezoelettrico d31 della fibra, che deriva dal suo processo di poling, e la composizione conducono – all'applicazione della tensione – a piegamenti assiali della fibra, che generano onde meccaniche nel tessuto, creando onde di pressione acustica.

Il dispositivo a fibra in questo studio è fabbricato utilizzando il disegno termico, come descritto in precedenza. Il preformato (25 × 14 × 200 mm) è costituito da un dominio composito piezoelettrico, sandwichato da due elettrodi e incapsulato da una guaina elastomerica. Durante il disegno, questi materiali sono riscaldati e confluire per formare una fibra con una geometria trasversale conservata. Il dominio piezoelettrico consiste nel copolimero poli(vinilidene fluoride–trifluoroetilene) [P(VDF–TrFE)] in rapporto molare 70/30, contenente il 20% in peso di particelle ceramiche di titanato di bario di 200 nm. Gli elettrodi sono polietilene carico di carbonio con due fili di rame continui incorporati in ciascun elettrodo durante il disegno utilizzando un processo conosciuto come convergenza. Questi strati sono circondati da una guaina di pol(stirene-b-(etilene-co-butilene)-b-stirene) (SEBS).

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Fonte: Articolo MIT "Single Layer Silk and Cotton Woven Fabrics for Acoustic Emission and Active Sound Suppression"