Kesällä jatkuva liikenteen ja ilmastointilaitteiden melu on olennainen osa monia suomalaisia kaupunkeja. Se on välttämätön paha, joka auttaa torjumaan kuumuutta, mutta se aiheuttaa jatkuvaa melusaastetta, joka on vakava terveysuhka.
Sisällysluettelo
Vuosikymmenien ajan ainoa tehokas tapa estää tämä ja muut äänet, kuten naapureiden melu, oli käyttää korvatulppia tai rakentaa fyysisiä esteitä eristävistä materiaaleista. Joissakin tapauksissa ne ovat erittäin tehokkaita, mutta niillä on merkittävä haittapuoli: ne eivät päästä ilmaa ja valoa läpi.
Tämän ongelman edessä Bostonin yliopiston tutkimusryhmä on vuosien ajan työskennellyt innovatiivisen ratkaisun parissa. Vuonna 2019 he esittelivät rakenteen, joka pystyy estämään äänen tehokkaasti ilman kulkua , mikä mahdollistaisi esimerkiksi täysin äänettömien tuulettimien ja jäähdytyslaitteiden valmistuksen.
Kuten Scientific Reports -lehdessä julkaistussa artikkelissa selitetään, he onnistuivat parantamaan tämän akustisen metamateriaalin – ”äänisuojan”, joka pystyy vähentämään tai poistamaan erilaisia meluja ilman, että se estää ilman kulkua – ominaisuuksia. Alun perin tutkijat pyrkivät vähentämään melua tietyillä taajuuksilla, mutta uusi ”laajakaistainen” lähestymistapa laajensi sen potentiaalia ja käyttöalueita.
”Se muistuttaa melua vaimentavia kuulokkeita , jotka vaimentavat laajan kirjon ei-toivottuja ääniä”, tutkimuslaboratorion johtaja Xin Zhang selittää lehdistötiedotteessa. Näin ollen tämä uusi äänenvaimennin voidaan käyttää ilmastointilaitteiden lisäksi ”tehtaissa, toimistoissa ja julkisissa tiloissa, joissa melutaso ei ole rajoitettu ennustettavaan taajuuteen”.
Kuinka se toimii
Laite näyttää muoviselta sylinteriltä tai suorakulmiolta, joka ulkoisesti näyttää yksinkertaiselta . Sen sisäinen geometria on kuitenkin avain sen poikkeuksellisiin ominaisuuksiin.
Toisin kuin tavalliset materiaalit, jotka vaimentavat tai estävät ääntä massansa ja tiheytensä ansiosta, akustiset metamateriaalit saavat ominaisuutensa monimutkaisesta rakenteestaan, tässä tapauksessa tarkasti lasketusta kaavasta.
Tämä uusi metamateriaali, joka on nimetty PGUOM (Phase Gradient Ultra-Open Metamaterial), pystyy vaimentamaan laajan äänialueen, vaikka se johtaa pieneen laskuun sen maksimitehossa.
”Aikaisemmat kehitystyöt olivat kuin radiovastaanottimen virittäminen yhdelle kanavalle”, Zhang selittää. ”PGUOM käyttää älykkäämpää lähestymistapaa. Se säilyttää korkean tehokkuuden myös melutason tai -voimakkuuden muuttuessa, mikä tekee siitä paljon käytännöllisemmän dynaamisissa tiloissa, kuten avokonttoreissa, ilmanvaihtojärjestelmissä tai liikenneasemilla, joissa äänilähteet ovat arvaamattomia ja kattavat laajan taajuusalueen.”
Kuinka se toimii
PGUOM:n vallankumouksellisen rakenteen voi kuvitella erittäin edistyneeksi modulaariseksi rakennusjärjestelmäksi. Sen peruskomponentti on ”peruskenno” – erillinen yksikkö, jonka sisällä on kaikki monimutkaisuus, ja spiraalinen labyrintti on suunniteltu erityisesti äänen hallintaan .
Järjestelmän salaisuuden avain piilee kuitenkin näiden rakennuspalikoiden yhdistelmässä. Tutkijat yhdistävät kolme erillistä elementaarista solua, joista jokaisella on oma sisäinen rakenteensa, tiettyyn järjestykseen muodostaen ”supersolun”.
Tällainen solujen järjestys luo vaihegradientin – ominaisuuden, joka ohjaa ääniaaltoja johdonmukaisesti ja hallitusti niiden kulkiessa rakenteen läpi. Tämä prosessi saavuttaa halutun vaikutuksen: sen sijaan, että ääni heijastuisi tai imeytyisi, se muuttuu vääriä pintakäyriä, jotka liukuvat materiaalin läpi tunkeutumatta siihen.
Näiden sisäisten labyrinttien äärimmäisen monimutkaisuuden vuoksi metamateriaalin valmistus perinteisillä menetelmillä on mahdotonta, ja ainoa tapa on korkean resoluution 3D-tulostus, jossa objekti luodaan kerros kerrokselta muovihartsia käyttäen.
Tämä tekniikka mahdollistaa pienimpien sisäisten kanavien luomisen mikrometrin tarkkuudella, mikä on erittäin tärkeää niiden oikean toiminnan kannalta. Suurin ongelma on juuri tulostimen tarkkuus, koska rakenteiden koon on vastattava estettävän äänen aallonpituutta. Korkeammat äänitaajuudet ja lyhyet aallonpituudet vaativat niin tarkkaa yksityiskohtien käsittelyä, että se vie nykyisen tulostustekniikan äärirajoille.
”Suunnittelumme ei ole universaali, ja siinä on sen etu”, Zhang toteaa. ”Sitä voidaan säätää sekä taajuusalueen että ilmavirran tason mukaan käyttökohteen mukaan.”
Laboratoriosta todellisuuteen
Tiimin saavutukset eivät rajoitu pelkästään teoreettiseen tutkimukseen: he ovat siirtyneet onnistuneesti laboratoriomallinnuksesta fyysisten prototyyppien luomiseen. Seuraava askel on tuotannon laajentaminen ja käyttöönotto todellisessa maailmassa .
”Keskitymme kehitystyömme integroimiseen konkreettisiin tuotteisiin ja sovelluksiin ja optimoimme samalla metamateriaaleja skaalautuvia tuotantoprosesseja varten”, sanoo Zhang. Sillä välin Zhang ja hänen oppilaansa työskentelevät laajentaakseen taajuusalueita, joita PGUOM voi vaimentaa, ”säilyttäen samalla alhaisen ilmanvastuksen ja minimoiden kokonaispaksuuden”.
Heidän ponnistelunsa eivät ole turhia, sillä melusaaste on vakava kansanterveysongelma . ”Liiallisen melun pitkäaikainen altistuminen, joka usein jää huomiotta ilman tai veden saastumisen varjoon, voi vaikuttaa vakavasti terveyteen ja aiheuttaa kuulon heikkenemistä, unihäiriöitä, lisääntynyttä stressiä ja jopa sydän- ja verisuonitauteja”, Zhang toteaa.
Näiden uusien saavutusten avulla, joiden tavoitteena on tehdä materiaaleista kevyempiä ja kykeneviä estämään kaikki laajakaistaiset taajuudet, Bostonin yliopiston tiimi haluaa ottaa viimeisen askeleen kohti hiljaisempaa, rauhallisempaa ja terveellisempää maailmaa .
