Физики ИТМО разработали способ уменьшить городской шум. Конструкция основана на метаматериалах — это позволяет снижать уровень шума в десять раз. Ключевые ее особенности — воздухопроницаемость и светопрозрачность. Проект может стать альтернативой привычным шумозащитным экранам. Решение ученых не требует больших затрат, и его можно использовать для защиты от шума в парках и населенных пунктах.
Фото: Майя Жинкина, Коммерсантъ
Фото: Майя Жинкина, Коммерсантъ
По данным Всемирной организации здравоохранения, шумовое загрязнение — один из самых опасных факторов окружающей среды, воздействующих на физическое и психическое здоровье человека. Регулярное воздействие шума может привести к нарушению слуха и заболеваниям сердечно-сосудистой, нервной систем. Особенно остро эта проблема стоит в больших городах. Ученые ИТМО нашли способ, как можно снизить уровень шумового загрязнения.
Они разработали простую структуру для подавления акустических шумов в слышимом диапазоне частот. В основе разработки — связанные резонаторы Гельмгольца (элементы структуры, по форме напоминающие трубки с боковым разрезом). Сначала исследователи провели численное моделирование и рассчитали параметры для потенциальной структуры, а потом проверили расчеты и провели эксперименты. В качестве экспериментального образца исследовался уменьшенный прототип шумоизолирующей беседки для парков, состоящий из напечатанных на 3D-принтере пластиковых резонаторов Гельмгольца. Внешне эта конструкция напоминает бублик.
На следующем этапе исследователи планируют сделать реальный прототип шумоизолирующей структуры и протестировать ее в безэховой камере. На основе предложенной учеными технологии в перспективе можно будет изготавливать шумоподавляющие конструкции для парков и зеленых зон, а также шумозащитные экраны для установки вдоль автомобильных и железных дорог.
Исследование поддержано программой Минобрнауки РФ «Приоритет 2030».
Фото: Лилия Кичигина
Фото: Лилия Кичигина
Мария Красикова, первый автор исследования, аспирантка Нового физтеха ИТМО, и Сергей Красиков, инженер Нового физтеха ИТМО:
— Что такое связанные резонаторы?
Связанные резонаторы это резонаторы, взаимодействующие между собой. Простыми словами, взаимодействие резонаторов означает, что акустическое поле в одном резонаторе зависит от поля в другом резонаторе и их нельзя рассматривать как независимые элементы.
—Почему ученые выбрали их как основу для своей разработки?
Ряд научных работ показывает, что в случае метаматериалов и фононных кристаллов связанные резонаторы могут привести к увеличению ширины запрещенных зон, то есть к улучшению шумоподавляющих свойств. Наша задача состояла в том, чтобы найти резонаторы такого вида, чтобы максимизировать это свойство и добиться максимально широкого диапазона шумоподавления, но при этом, чтобы итоговая конструкция была максимально проста в изготовлении.
— Что такое акустический метаматериал и фононный кристалл?
Акустические метаматериалы и фононные кристаллы это периодические структуры, свойства которых определяются в первую очередь не материалом элементов, из которых они изготовлены, а именно их периодичностью и параметрами. Отличие акустических метаматериалов от фононных кристаллов заключается в размере элементов: в первом случае размер элементов должен быть много меньше длины волны, а в случае фононных кристаллов сравним с ней. Такое различие приводит к разным физическим механизмам, обуславливающим свойства метаматериалов и фононных кристаллов. К примеру, метаматериалы могут обладать отрицательной эффективной плотностью, что невозможно в случае «обычных» материалов. В случае нашего исследования самое важное свойство это наличие запрещенных зон. В случае экспериментальных измерений это означает, что в некоторых областях частотного спектра будет наблюдаться сильное понижение коэффициента прохождения, а чем меньше коэффициент прохождения, тем лучше шумоизоляция.
— Как проходило исследование?
Работа проходила по вполне стандартной процедуре проведения многих научных исследований. В первую очередь была сформирована гипотеза о том, что при помощи метаматериалов можно добиться подавления шумов в широком спектре частот. Затем разрабатывался дизайн конструкции, выбирались формы ее отдельных элементов, определялось их необходимое взаиморасположение. Далее проводилось численное моделирование структур на основе выбранных элементов, которое затем подтверждалось экспериментальными измерениями. Для измерений было изготовлено несколько масштабированных прототипов, которые исследовались в специальной мини-камере, имитирующей свободное пространство. В эту камеру помещался прототип конструкции, затем при помощи динамика производилась генерация звука в большом диапазоне частот. Потом при помощи микрофона определялся уровень звука при наличии и при отсутствии конструкции, а затем эти результаты сравнивались, чтобы определить, во сколько раз структура позволяет уменьшить уровень шума.
— Какие, на ваш взгляд, есть перспективы использования этого изобретения?
Основное направление использования это создание шумозащитных сооружений вдоль автомобильных и железных дорог, а также «зон тишины» в лесопарковых зонах, расположенных в непосредственной близости от источников шума (промышленных зон, дорог и т. д.). В первую очередь конструкции направлены на использование в городской среде, а не внутри помещений (хотя мы уже ведем соответствующие разработки).
— Легко ли будет наладить его производство и использование?
Разрабатываемые конструкции можно изготавливать из широкого спектра материалов. Например, они могут быть выполнены из полимеров с использованием промышленной 3D-печати или путем механической обработки пластиковых труб подходящих размеров. Все зависит от конкретных областей и условий применения. В любом случае структура очень проста в производстве и использовании.