Новая композитная нанопена спасет от низкочастотного шума

Международный коллектив ученых из России и Южной Кореи разработал нанопену — новый шумопоглощающий композиционный материал. Материал способен снижать уровень шума на 100% эффективнее стандартных аналогов, реагируя на звуковые волны не только высоких, но и низких частот, которые могут негативно влиять на здоровье человека. Исследование опубликовано в журнале Applied Acoustics и поддержано грантом Российского научного фонда.

Пенные материалы чаще всего используются для звукоизоляции. Сейчас они эффективны только против высокочастотного шума. Однако низкие частоты могут гораздо серьезнее вредить здоровью человека. Наиболее опасны инфра- и низкочастотные вибрации и шум с частотой менее 0,4 кГц, особенно если они воздействуют на человека в течение длительного времени.

Ученые много раз пытались объединить микро и нано-материалы с целью получить модифицированный материал с улучшенными прочностными, эластичными, динамическими и вибрационными свойствами, который будет надежно изолировать помещение в том числе и от низкочастного шума. Однако акустические характеристики таких материалов улучшить до сих пор не получалось.

Российские и корейские ученые вместе разработали материал с улучшенными акустическими характеристиками. Это вещество представляет собой гибридную нанопену, его получают, дополнительно обогащая обычную звукопоглощающую пену пористыми гранулами из наночастиц кремнезема и магнетита. Для этого пену пропитывают взвесями нанопорошков в жидкости, обрабатывают ультразвуком и просушивают.

Формирующиеся гранулы из наночастиц структурно можно сравнить с аэрогелем. Этот класс материалов проявляет как хорошие теплоизоляционные свойства, так и шумоизоляционные. Однако аэрогели стоят довольно дорого и сложны при использовании в конструкциях. Новый материал структурно схож с аэрогелем, однако лишен его недостатков — высокой цены и инженерных проблем.

Механизм звукопоглощения новой пены основан на том, что ее звукопоглощающая поверхность многократно увеличивается благодаря большому количеству нанопор во введенных частицах, а также расположению этих частиц в матрице пены в виде своеобразных каналов. Наночастицы поглощают энергию звуковой волны, превращая ее в тепло. Вместе с этим возрастают звукозащитные свойства материала. Новый пенный материал продемонстрировал многообещающие результаты на средних частотах и потому теперь необходимо провести более специализированные испытания в области низких частот.

«Любой материал в некотором приближении можно представить сетью связанных между собой пружинками грузов. Такая механическая система всегда имеет собственные полосы частот, на которых колебания распространяются в системе относительно свободно, и запрещенные полосы частот, на которых колебания быстро угасают в системе. С этой позиции эффективно погасить передачу колебаний, в том числе звуковых, возможно, если чередовать материалы таким образом, чтобы свободно распространяющиеся в первом материале колебания оказывались в запрещенной полосе для второго слоя, — комментирует сотрудник ДВФУ Алексей Завьялов. — Конечно, для разработанного пенного материала такая идеализация является слишком грубой. Однако она позволяет наглядно проиллюстрировать фундаментально обусловленную необходимость создания "сэндвич"-структур».

Исследование показало, что метод, при котором пены обогащают составами нанокремнезема или наномагнетита, формирующих гранулы до нескольких сотен микрометров (в соответствии с размерами пор модифицируемого пенного материала) и обладающих порами около 15 нм, достаточно эффективен. Это небольшое дополнение обеспечило более сложную и разветвленную 3D-сеть наноканалов, что привело к дополнительному поглощению шумовой энергии. Благодаря использованному подходу шумопоглощение в диапазоне 2,0-6,3 кГц и на более низких частот 0,5-1,6 кГц было эффективно. Степень поглощения была увеличена на 60-100 % и звукопередача была снижена на 20-22 дБ, вне зависимости от типа нанонаполнителя. Теперь авторы намерены улучшить материал при помощи систем активного шумоподавления.

Понравился материал? Добавьте Indicator.Ru в «Мои источники» Яндекс.Новостей и читайте нас чаще.

Пресс-релизы о научных исследованиях, информацию о последних вышедших научных статьях и анонсы конференций, а также данные о выигранных грантах и премиях присылайте на адрес science@indicator.ru.