NUEVO “METAMATERIAL ACÚSTICO” CANCELA EL SONIDO

Los ingenieros mecánicos crean una estructura sintética y silenciadora del sonido que bloquea el 94 por ciento de los sonidos.

Los investigadores de la Universidad de Boston, Xin Zhang, profesor de la Facultad de Ingeniería, y Reza Ghaffarivardavagh, Ph.D. estudiante en el Departamento de Ingeniería Mecánica, publicó un artículo en Physical Review B que demuestra que es posible silenciar el ruido usando una estructura abierta, en forma de anillo, creada con especificaciones matemáticamente perfectas, para recortar sonidos mientras se mantiene el flujo de aire.

“Las barreras de sonido de hoy son, literalmente, muy gruesas paredes”, dice Ghaffarivardavagh. Si bien las barricadas que mitigan el ruido, llamadas bafles sonoros, pueden ayudar a ahogar el tráfico de hora punta o contener la sinfonía de la música dentro de las paredes de la sala de conciertos, son un enfoque torpe que no es adecuado para situaciones en las que el flujo de aire también es crítico. Imagine barricando la salida de escape de un motor a reacción, el avión nunca abandonaría el suelo. En cambio, los trabajadores de la pista de aterrizaje usan tapones para los oídos para proteger su audición del rugido ensordecedor.

Ghaffarivardavagh y Zhang dejaron que las matemáticas, una pasión compartida que ha impulsado sus carreras de ingeniería y las hayan convertido en socios de investigación adecuados, las guíen hacia un diseño viable para el aspecto del metamaterial acústico.

Ellos calcularon las dimensiones y especificaciones que el metamaterial debería tener para interferir con las ondas de sonido transmitidas, evitando que el sonido, pero no el aire, se irradie a través de la estructura abierta. La premisa básica es que el metamaterial debe configurarse de tal manera que envíe los sonidos entrantes de regreso a donde vinieron, dicen.

Como caso de prueba, decidieron crear una estructura que pudiera silenciar el sonido de un altavoz. Basados ​​en sus cálculos, modelaron las dimensiones físicas que silenciarían más efectivamente los ruidos. Dando vida a esos modelos, utilizaron la impresión 3D para materializar una estructura abierta de plástico que cancela el ruido.

Al probarlo en el laboratorio, los investigadores sellaron el altavoz en un extremo de una tubería de PVC. En el otro extremo, el metamaterial acústico hecho a medida se fijó en la abertura. Con solo presionar el botón de reproducción, la configuración experimental de los altavoces cobró una vida muy tranquila en el laboratorio. De pie en la habitación, basándose en su sentido del oído solo, nunca sabría que el altavoz emitía una nota de tono irritante. Sin embargo, si miras en el tubo de PVC, verás los subwoofers del altavoz a toda velocidad.

El metamaterial, que rodeaba el perímetro interno de la boca de la tubería, funcionó como un botón de silencio encarnado hasta el momento en que Ghaffarivardavagh se agachó y lo liberó. El laboratorio repentinamente hizo eco con el chillido de la melodía del altavoz.

“El momento en que colocamos y quitamos el silenciador … fue literalmente día y noche”, dice Jacob Nikolajczyk, quien además de ser coautor del estudio y ex investigador de pregrado en el laboratorio de Zhang, es un intérprete vocal apasionado. “Habíamos estado viendo este tipo de resultados en nuestro modelo de computadora durante meses, pero una cosa es ver los niveles de presión de sonido modelados en una computadora, y otra es escuchar su impacto”.

Al comparar los niveles de sonido con y sin el metamaterial fijado en el lugar, el equipo descubrió que podían silenciar casi todo (94 por ciento para ser exactos) del ruido, haciendo que los sonidos que emanan del altavoz sean imperceptibles para el oído humano.

Ahora que su prototipo ha demostrado ser tan efectivo, los investigadores tienen algunas grandes ideas acerca de cómo su metamaterial de silenciamiento acústico podría funcionar para hacer que el mundo real sea más tranquilo.

“Los drones son un tema muy candente”, dice Zhang. Las compañías como Amazon están interesadas en usar drones para entregar bienes, dice, y “la gente se queja por el ruido potencial”.

“El culpable es el movimiento ascendente del ventilador”, dice Ghaffarivardavagh. “Si podemos poner estructuras abiertas para silenciar el sonido debajo de los ventiladores de aviones no tripulados, podemos cancelar el sonido que se irradia hacia el suelo”.

Más cerca del hogar, o de la oficina, los ventiladores y los sistemas HVAC podrían beneficiarse de los metamateriales acústicos que los vuelven silenciosos y aún así permiten que el aire caliente o frío circule sin restricciones por todo el edificio.

Ghaffarivardavagh y Zhang también señalan la inseguridad de las barreras de sonido que se utilizan hoy en día para reducir la contaminación acústica causada por el tráfico y ver el espacio para una mejora estética. “Nuestra estructura es súper liviana, abierta y hermosa. Cada pieza podría usarse como una loseta o ladrillo para ampliar y construir una pared permeable al sonido que se pueda cancelar”, dicen.

La forma de los metamateriales de silenciamiento acústico, según su método, también es completamente personalizable, dice Ghaffarivardavagh. La parte exterior no necesita ser una forma de anillo redondo para funcionar.

“Podemos diseñar la forma exterior como un cubo o hexágono, cualquier cosa realmente”, dice. “Cuando queremos crear un muro, vamos a adoptar una forma hexagonal” que puede encajar como una estructura de panal al aire libre.

Tales paredes podrían ayudar a contener muchos tipos de ruidos. Incluso los de las vibraciones intensas de una máquina de resonancia magnética, dice Zhang.

Según Stephan Anderson, profesor de radiología en la Facultad de Medicina de BU y coautor del estudio, el metamaterial acústico podría potencialmente escalarse “para ajustarse al interior del orificio central de una máquina de IRM”, protegiendo a los pacientes del sonido durante el proceso de imagen .

Zhang dice que las posibilidades son infinitas, ya que el método de mitigación del ruido se puede personalizar para adaptarse a casi cualquier entorno: “La idea es que ahora podemos diseñar matemáticamente un objeto que puede bloquear los sonidos de cualquier cosa”, dice.

El metamaterial acústico impreso en 3D, diseñado matemáticamente, está configurado de tal manera que envía los sonidos entrantes de regreso a su lugar de origen, dicen Ghaffarivardavagh y Zhang. Dentro del anillo exterior, un patrón helicoidal interfiere con los sonidos, impidiéndoles transmitir a través del centro abierto y al mismo tiempo preservar la capacidad del aire para fluir.

Crédito: Foto de Cydney Scott para la Universidad de Boston.

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