Трубы против шума

Гул машин, звуковые объявления, шум на рабочем месте, громкие разговоры — это лишь несколько примеров шумового загрязнения. Оно преследует людей повсюду и негативно влияет 

на здоровье — например, повышает давление и уровень стресса, нарушает свертываемость крови, ухудшает когнитивные способности и снижает качество сна. Чтобы уменьшить уровень шумового загрязнения, используют специальные заборы и экраны, которые часто можно встретить вдоль автомобильных дорог. Но такие конструкции чаще всего выглядят как сплошная бетонная стена, не пропускают воздух и солнечный свет. Вдобавок располагать их в других местах, например в парках и зеленых зонах, может быть неуместно и непрактично.

Ученые Нового физтеха ИТМО предложили новый способ, который в 10 раз подавляет уровень шума — на 20 дБ в диапазоне от двух до 16,5 кГц. В основе конструкции ― множество связанных пар резонаторов Гельмгольца. Это напечатанные на 3D-принтере пластиковые вертикально стоящие трубы с боковым надрезом. Три пары связанных резонаторов Гельмгольца образуют один ряд шумопоглощающей конструкции.

Причем разработка ученых ИТМО может принять любую форму — например, беседки в парке или шумоподавляющего заграждения вдоль автомобильных и железных дорог. Например, в случае беседки один из вариантов конструкции будет внешне напоминать «бублик». Еще одно преимущество разработки — вентилируемость. Благодаря зазорам между рядами резонаторов конструкция может пропускать воздух. Также «бублик» может быть светопрозрачным. Это свойство достигается за счет светопрозрачных материалов, которые используются для 3D-печати резонаторов Гельмгольца.

От бесконечной системы до реального прототипа

Чтобы разработать шумоподавляющую конструкцию, ученые провели несколько этапов исследования. Сначала они смоделировали конструкцию, состоящую из бесконечного количества резонаторов Гельмгольца, и вычислили для них подходящие параметры — внутренний и внешний радиус, толщину труб, расстояние между двумя связанными трубами и между другими парами труб, а также их взаимное расположение.

Затем от расчетов для бесконечной конструкции исследователи перешли к полубесконечной. В результате они определили, сколько на самом деле им потребуется резонаторов Гельмгольца, чтобы создать конструкцию, по свойствам близкую к бесконечной, и тем самым достичь компромисса между уровнем шумоподавления и размером структуры. Свои предположения исследователи успешно подтвердили, проверив свойства структуры из резонаторов Гельмгольца в специально разработанной установке — квадратном волноводе с абсолютно жесткими стенками, крышкой и дном.

На последнем этапе ученые также провели эксперимент в модифицированной установке — раздвинули стенки волновода и установили по периметру шумопоглощающий материал, чтобы имитировать измерения в свободном пространстве. Сначала на одной из внутренних сторон установки они поставили динамик, а в ее центр — микрофон, и затем измерили коэффициент прохождения звукового сигнала. После этого они повторили эксперимент, но уже непосредственно с созданной ими шумоподавляющей конструкцией и сравнили, как сильно подавляются шумы с конструкцией и без нее.

«Наша разработка снижает уровень шума — на 20 дБ (примерно в 10 раз) в диапазоне от двух до 16,5 кГц. Это более 70% слышимого диапазона частот. Вдобавок наша конструкция в разных диапазонах частот проявляет разные свойства. Поглощение звука в большом диапазоне частот достигается за счет нескольких механизмов шумоподавления. На низких частотах конструкция ведет себя как акустический метаматериал, а на более высоких как фононный кристалл и в остальном диапазоне как набор рэлеевских рассеивателей», — рассказывает первый автор исследования, аспирантка третьего курса Нового физтеха Мария Красикова.

Что дальше

В перспективе ученые планируют увеличить размеры резонаторов Гельмгольца и испытать прототип. В перспективе такую шумоподавляющие конструкцию можно использовать как беседку в парках и зеленых зонах, а также как шумозащитные экраны вдоль автомобильных и железных дорог.

«Сам вид резонаторов Гельмгольца можно не менять, то есть нам не нужно переходить с труб на другие формы сечения — например квадратные или ромбовидные. Но чтобы подавить звуковые сигналы на других частотах, нужно масштабировать элементы структуры. Чем она больше, тем более низкий диапазон частот она может перекрыть. Например, когда мы проводили исследование полубесконечной конструкции, радиус труб был в шесть раз больше. Соответственно они поглощали более низкий диапазон частот. Чтобы расширить диапазон шумоподавления, нужно оптимизировать структуру. Это то, чем мы сейчас занимаемся», — отметила Мария Красикова.

Исследование реализовано в рамках государственной программы поддержки и развития университетов Минобрнауки «Приоритет–2030».

Алёна Мамаева

Журналист