211service.com
Opnieuw ontworpen raam stopt geluid, maar geen lucht, zeggen materiaalwetenschappers
Geluidsoverlast is een van de bugbears van het moderne leven. Het geluid van machines, motoren, buren en dergelijke kan ernstige gevolgen hebben voor onze kwaliteit van leven en die van de andere wezens die deze planeet delen.
Maar isoleren tegen geluid is een moeilijke en dure aangelegenheid. Geluidsisolatie werkt over het algemeen volgens het principe van het overbrengen van geluid uit de lucht naar een ander medium dat het absorbeert en dempt.
Dus het idee om een barrière te creëren die geluid absorbeert en tegelijkertijd lucht doorlaat, lijkt op het eerste gezicht volkomen onmogelijk. Maar dat is precies wat Sang-Hoon Kima van de Mokpo National Maritime University in Zuid-Korea en Seong-Hyun Lee van het Korea Institute of Machinery and Materials hebben bereikt.
Deze jongens hebben een manier bedacht om geluid te scheiden van de lucht waarin het zich verplaatst en het vervolgens te dempen. Hierdoor konden ze een raam bouwen waardoor lucht kan stromen maar geen geluid.
Het ontwerp is relatief eenvoudig en berust op twee exotische akoestische fenomenen. De eerste is om een materiaal te maken met een negatieve bulkmodulus.
De bulkmodulus van een materiaal is in wezen de weerstand tegen compressie en dit is een belangrijke factor bij het bepalen van de snelheid waarmee geluid er doorheen beweegt. Een materiaal met een negatieve bulkmodulus dempt exponentieel elk geluid dat er doorheen gaat.
Het is echter moeilijk voor te stellen dat een vast materiaal een negatieve bulkmodulus heeft, en dat is waar een beetje slim ontwerp van pas komt.
Het idee van Kima en Lee is om een klankresonantiekamer te ontwerpen waarin de resonerende krachten elke compressie tegenwerken. Bij een zorgvuldig ontwerp leidt dit tot een negatieve bulkmodulus voor een bepaald frequentiebereik.
Hun resonantiekamer is eigenlijk heel eenvoudig: het bestaat uit twee parallelle platen van transparant acrylplastic van ongeveer 150 millimeter in het vierkant en gescheiden door 40 millimeter, ongeveer als een deel van dubbele beglazing ter grootte van een paperback-boek.
Deze kamer is ontworpen om ervoor te zorgen dat elk geluid dat erin resoneert, ingaat tegen de manier waarop hetzelfde geluid de kamer comprimeert. Wanneer dit gebeurt, is de bulkmodulus van de hele kamer negatief.
Een belangrijke factor daarbij is hoe efficiënt het geluid in de kamer kan komen en hier hebben Kima en Lee nog een trucje. Om deze efficiëntie te maximaliseren, boren ze een gat van 50 millimeter door elk stuk acryl. Dit werkt als een diffractie-element dat ervoor zorgt dat elk geluid dat de kamer raakt er sterk in afbuigt.
Het resultaat is een raam met dubbele beglazing met een negatieve bulkmodulus die het geluid dat erop valt sterk dempt.
Kima en Lee gebruiken hun dubbele beglazing als bouwsteen om grotere ramen te creëren. In tests met een 3x4x3 muur van bouwstenen, zeggen ze dat hun raam het geluidsniveau met 20-35 decibel vermindert over een geluidsbereik van 700 Hz tot 2.200 Hz. Dat is een aanzienlijke vermindering.
En door extra bouwstenen met kleinere gaten te gebruiken, kunnen ze dit bereik uitbreiden naar lagere frequenties.
Het handige van deze ramen is dat de gaten erdoorheen ook de vrije luchtstroom mogelijk maken, waardoor er ook voldoende ventilatie is.
De toepassingen zijn talrijk. Door de grootte van de gaten te veranderen, zijn de vensters afstembaar, zodat ze alleen bepaalde frequenties afschermen. De nieuwe ontwerpen hebben een aantal interessante toepassingen.
Als we ons bijvoorbeeld in een gecombineerd gebied bevinden van geluiden van zeegolven met een lage frequentie en geluiden van machines die met een hoge frequentie werken, kunnen we alleen de geluiden van zeegolven met frisse lucht horen, zeggen Kima en Lee.
Bovendien zeggen ze dat hetzelfde idee ook in water zou moeten werken, wat zou kunnen helpen bij toepassingen zoals het beschermen van zeedieren tegen geluidsoverlast.
Een slim idee dat een van de steeds vaker voorkomende problemen van het moderne leven aanpakt.
Referentie: arxiv.org/abs/1307.0301 : Luchttransparant geluiddicht venster