Onderzoekers maken metamateriaal dat geluid relatief goed kan blokkeren

Wetenschappers van de Universiteit van Boston hebben zogeheten akoestisch metamateriaal ontwikkeld dat in het laboratorium erg goed in staat blijkt om geluid grotendeels te dempen. Het gaat om structuren die met een 3d-printer zijn gemaakt en met geluidsgolven interfereren.

De multidisciplinaire hoogleraar Xin Zhang en collega-wetenschapper Reza Ghaffarivardavagh, twee mechanical engineers van de Universiteit van Boston, stellen dat het mogelijk is om lawaai of geluid vrijwel geheel te dempen of weg te nemen met een open, ring-achtige structuur. Ze beweren dat het mogelijk is met bepaald materiaal het geluid te blokkeren zodat het niet of nauwelijks te horen is, zonder dat het invloed heeft op de luchtverplaatsing.

Dat laatste is belangrijk, omdat je bijvoorbeeld bij vliegtuigmotoren geen aantasting van de luchtverplaatsing moet hebben. Anders zou een straalvliegtuig niet van de grond kunnen komen. Het bewegen van de lucht genereert echter ook geluid en de wetenschappers stellen dat dit ook gedempt kan worden zonder gebruik te maken van dikke geluidsbarrières zoals muren.

Hiervoor hebben ze een 3d-structuur van plastic geprint die wel de luchtverplaatsing mogelijk maakt, maar tegelijk ook de geluidsgolven blokkeert. Het gaat hierbij om metamateriaal. Dat zijn synthetische materialen die zijn gemaakt met een eigenschap die van nature niet in materialen voorkomt. Het gaat veelal om metalen of plastics die gerangschikt worden in herhalende patronen die kleiner zijn dan de golflengten die ze moeten beïnvloeden.

Om te testen of ze de kleine trillingen die geluid kan produceren, konden blokkeren, hebben de onderzoekers in een laboratorium een testopstelling gemaakt met een speaker en daarop een holle pvc-buis gemonteerd die uit een 'noisecancellingstructuur' bestaat. Het akoestische metamateriaal werd alleen helemaal aan de voorkant van de buis geplaatst aan de binnenkant, waarna werd gekeken hoeveel er te horen was.

'Al staande in de ruimte, puur gebaseerd op je gehoor, zou je niet weten dat een luidspreker een harde, irritante, hoge toon produceerde', schrijven de onderzoekers. Het weghalen van dit materiaal omschrijven ze als het gebruik van een mute-knop. "Het was een verschil van dag en nacht", aldus een van de onderzoekers. Ze bleken 94 procent van het geluid van de luidspreker te kunnen dempen, waarmee het geluid van de luidspreker niet te horen was voor het menselijk oor.

De onderzoekers zien vooral mogelijkheden voor toepassing bij drones, waarbij vaak geklaagd wordt over het lawaai. Ghaffarivardavagh zegt dat het mogelijk is om het op de grond hoorbare lawaai weg te nemen als er geluiddempende open structuren onder de dronepropellers worden geplaatst. Ook bij airconditioningsystemen en ventilatoren kan de technologie uitkomst bieden. "Het idee is dat we nu op wiskundige wijze een object kunnen ontwerpen dat het geluid van alles kan blokkeren", zegt Zhang.

Volgens de onderzoekers is hun structuur zeer licht, open en mooi, zodat het bijvoorbeeld ook eenvoudig is toe te passen in muren. De vorm van het akoestische metamateriaal is helemaal aan te passen op basis van de toepassing; het hoeft geen ring te zijn en kan allerlei vormen aannemen. Voor een muur denken ze aan een hexagonale vorm die samengevoegd kan worden als een openluchthoningraatstructuur. Dit is wellicht ook in te zetten bij mri-machines in een ziekenhuis om de intense trillingen en het geluid weg te nemen.

Over dit onderzoek is gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Physical Review B, onder de titel Ultra-open acoustic metamaterial silencer based on Fano-like interference.

In de buitenste ring zit een schroeflijnvorming patroon dat interfereert met het geluid. De geluidsgolven worden geblokkeerd en komen zodoende niet door het open gat van de ring. Tegelijkertijd kan de lucht zich nog gewoon door de ring verplaatsen.

Reacties (63)

[Ruudjah]

Het lijkt om een materiaal te gaan wat slechts één frequentie kan blokkeren. De toon is namelijk monotoon als het metamateriaal wordt verwijderd. Daarnaast geven de onderzoekers aan dat het een toepassing heeft op situaties waar ook een monotone, of in ieder geval constante frequenties worden gebruikt.

Gemixte frequenties zoals muziek, spraak, achtergrondgeluid, stadsgeluid en dergelijke zijn dus nog totaal niet aan de orde.

[Anoniem: 455617]

Het lijkt om een materiaal te gaan wat slechts één frequentie kan blokkeren. De toon is namelijk monotoon als het metamateriaal wordt verwijderd. Daarnaast geven de onderzoekers aan dat het een toepassing heeft op situaties waar ook een monotone, of in ieder geval constante frequenties worden gebruikt.

Gemixte frequenties zoals muziek, spraak, achtergrondgeluid, stadsgeluid en dergelijke zijn dus nog totaal niet aan de orde.

Dat is altijd zo voor dit soort "materialen". En de crux zit bovendien niet in het materiaal maar in de vormgeving. Die vormgeving is zo gemaakt dat de geluidsgolven daarbinnen gaan reflecteren en zo interferentie met zichzelf aangaan waardoor ze uitgedempt worden. Een cruciale factor hierbij is de golflengte van de geluisgolf. De dimensies van de (cellen van de) constructie moeten hierop afgesteld worden. Als gevolg daarvan kan een specifieke constructie ook slecht een vrij klein toongebied dempen. Wil je een breder toongebied dempen, dan heb je meerdere constructies nodig of je moet je tevredenstellen met een minder efficiente demping.

Een tweede issue dat hier niet word genoemd is dat de geluidssnelheid constant moet zijn om dit goed te laten werken. Het ontwerp moet gecorreleerd zijn aan de golflengte van het geluid. Deze kan echter veranderen indien de temperatuur, luchtvochtigheid (of in minder mate de druk) veranderen. Dat komt omdat de geluidssnelheid afhankelijk is van de dichtheid van de lucht, en die veranderd bij veranderende omstandigheden. En aangezien er geldt:

L (golflengte) = V (geluidssnelheid) / f (frequentie)

veranderd de golflengte van het geluid dus indien de omstandigheden veranderen. De frequentie veranderd bovendien niet aangezien dit enkel en alleen afhankelijk is van de geluidsbron.

De theorie hierachter is niet echt gecompliceerd. Het vergt wel wat rekenwerk om te bepalen hoe je de cellen van je constructie moet vormgeven om een bepaalde golflengte te dempen, maar daar hebben we computers voor.

[Rob Coops]

Waarom zou men dan niet een aantal van dit soort structuren in serie kunnen zetten? Het lijkt me dat als ik 20-25Hz kan dempen en de volgende laag 26 tot 30Hz kan dempen etc ik uit eindelijk een laag kan maken die alles dempt wat een normaal mens kan horen. Of is het zo dat als de eerste laag 20 to 25Hz zou blokken de tweede laag daar (waarschijnlijk niet de juiste term) op kan storen en daar door de effectiviteit van de eerste laag kan verlagen?

Ik kan me zo voorstellen dat als je het goed op zet je heus wel kan bereiken wat de universiteit lijkt te zeggen. Maar of dat echt mogelijk is of dat het nog weer vele jaren aan werk vergt en dit dus niet veel meer is dan een poging geld los te krijgen om op die manier door te kunnen gaan met onderzoek... het zou me niet geheel verbazen

[Anoniem: 455617]

Waarom zou men dan niet een aantal van dit soort structuren in serie kunnen zetten? Het lijkt me dat als ik 20-25Hz kan dempen en de volgende laag 26 tot 30Hz kan dempen etc ik uit eindelijk een laag kan maken die alles dempt wat een normaal mens kan horen.

Dat is zeker mogelijk. het kost alleen extra ruimte. Hoe breder het toonbereik is dat je wilt blokkeren hoe meer ruimte je nodig hebt.

[koelpasta]

Ik wou eigenlijk hetzelfde opmerken als jij hierboven.
Ongelovelijk hoe zo'n verhaal compleet uit verband wordt getrokken.
Ik geloof ook dat de universiteit hier ernstige schuld aan heeft omdat ze in hun persuiting ook heel breed spraken en het allemaal mooier voorschotelden dan werkelijk aan de hand was.

[Azbest]

Ongelovelijk hoe zo'n verhaal compleet uit verband wordt getrokken.

Dit is helemaal niet uit verband getrokken, een titel als "Onderzoekers maken open metamateriaal dat specifieke frequentieband relatief goed kan blokkeren" klinkt nou eenmaal minder interessant.
Als tweakers zijnde verwachten we toch ook wel een beetje randvoorwaarden?

Dit is een mooi ontwerp, waarbij geluid wat zich al in de ruimte bevind gedempt kan worden en dat is erg handig zoals ook in in het artikel staat: bij vliegtuigen.
De microfoons zijn in de PVC buis geplaatst, het filter is in feite open en daarmee belemmert dus niet de doorgang, dat is waarom het zo'n fraai ontwerp is.

[koelpasta]

Dit is een mooi ontwerp, waarbij geluid wat zich al in de ruimte bevind gedempt kan worden en dat is erg handig zoals ook in in het artikel staat: bij vliegtuigen.

Ja maar dit gaat niet heel goed werken bij vliegtuigen omdat ze verschillende frequenties produceren. Dat is mijn hele punt. Die technologie wordt door de universiteit enorm overdreven en er worden allerlei toepassingen gepresenteert waar deze tech helemaal niet geschikt voor is, zoals het filteren van ruis-achtige signalen.

De microfoons zijn in de PVC buis geplaatst, het filter is in feite open en daarmee belemmert dus niet de doorgang, dat is waarom het zo'n fraai ontwerp is.

Ja, maar dat is 1 frequentie. En dan ook nog door die buis geforceerd door het filter heen.
Dit is voor veruit de meeste toepassingen die ze aandragen niet genoeg om het geluid effectief te dempen.
Er zullen wel wat toepassingen zijn, maar bij lange na niet zo generiek als ze doen voorkomen. Het zullen een paar heel specifieke toepassingen zijn.

[Reactie gewijzigd door koelpasta op 23 juli 2024 02:25]

[TWyk]

Ja maar dit gaat niet heel goed werken bij vliegtuigen omdat ze verschillende frequenties produceren.

Het kan toch al heel veel schelen als je de meer overlastgevende frequenties uitfiltert. Zoals het geluid van de van propellers bij kruissnelheid

Bijvoorbeeld snelwegen hebben ook best een heel beperkte geluidskarateristiek. (en die zal nog beperkter worden naar mate ICE motoren verdwijnen. Als je maar een heel kleine frequentiegevied uit het geluid kan wegfilteren dan kan de overlast enorm afnemen.

[koelpasta]

Zoals het geluid van de van propellers bij kruissnelheid

Een propeller produceert ruis. Ruis kun je niet wegfilteren met een resonantie-achtig mechanisme (wat dit apparaat dus is).
Dit is precies wat ik aangeef, de meeste geluiden die je kan noemen laten zich hier niet door wegfilteren.

Bijvoorbeeld snelwegen hebben ook best een heel beperkte geluidskarateristiek.

Nee joh, is hoogst complex en afhankelijk van welke type auto's er rijden, hoe hard ze rijden, etc.
Daarnaast, het is weer redelijk ruiserig en dus compleet niet geschikt om met zo'n resonantiesysteem weggefilterd te worden.

Als je maar een heel kleine frequentiegevied uit het geluid kan wegfilteren dan kan de overlast enorm afnemen.

Deze costructies kunnen helemaal geen gebied wegfilteren, ze kunnen 1 frequentie wegfilteren.
Nogmaals, dat is mijn hele punt.

[TWyk]

Het punt is dat de onderzoekers zelf aangeven dat hun vinding geschikt is voor bijvoorbeeld verkeersgeluid:

Ghaffarivardavagh and Zhang also point to the unsightliness of the sound barriers used today to reduce noise pollution from traffic and see room for an aesthetic upgrade. “Our structure is super lightweight, open, and beautiful. Each piece could be used as a tile or brick to scale up and build a sound-canceling, permeable wall,” they say.

Ik denk dat zij een beter idee hebben van de toekomstige mogelijkheden van hun vinding dan jou beperkte interpretatie van hun vinding.

[koelpasta]

Het punt is dat de onderzoekers zelf aangeven dat hun vinding geschikt is voor bijvoorbeeld verkeersgeluid:

En volgens mij is dit onzin.

Ik denk dat zij een beter idee hebben van de toekomstige mogelijkheden van hun vinding dan jou beperkte interpretatie van hun vinding.

Maar ik heb geen financieel belang bij dit gepushte product, zij wel.
Daarnaast zou het niet de eerste keer zijn dat een vinding ernstig wordt overdreven. Het gebeurt zelfs vrij regelmatig datonderzoeksresultaten rooskleuriger worden voorgesteld dan ze werkelijk zijn.
Wat dat betreft is jouw vertrouwen enigzins misplaatst.

Ik heb via-via een screenshot gezien uit hun paper (heb geen abbo op de uitgeverij) met de filterfunctie van dat ding en het filtert toch echt een enkele frequentie. Verkeersgeluid zit niet op 1 frequentie. Gaat dus niet erg goed werken.
Daarnaast is de hoeveelheid reductie niet echt spannend maar om het veel te laten lijken komen ze met die 94%, waarschijnlijk omdat ze weten dat een hoop mensen denken dat dat veel is bij geluid.
Een hoop mooie verhalen die niet terug te vinden zijn in de resultaten van hun onderzoek.

[TWyk]

Daarnaast is de hoeveelheid reductie niet echt spannend maar om het veel te laten lijken komen ze met die 94%, waarschijnlijk omdat ze weten dat een hoop mensen denken dat dat veel is bij geluid.

94% procent is heel veel zeker voor een open structuur.

Een snelweg op 25 meter is 70 dB. Als dat onder de 50 komt kun je gewoon wonen langs de snelweg

[MSalters]

Klopt. Maar -20dB is 99% minder; het is een logaritmische schaal. 94% minder is nog geen 15dB.

[trogdor]

Het is vast mogelijk om een 'frequency-sweep' in dit ontwerp in te bouwen, waarbij er van de ene kant naar de andere toe dus een hele range aan frequenties wordt geblokkeerd.

[la cucaracha]

Mooi! Eerst maar eens beginnen met het uitfilteren van 2-3-4 cilinder pruttels... Alleen het orkest van V6 t/m V12 blijft dan over maar dat is geen kwelling voor mijn oren.
Oh, en natuurlijk de V16 van BRM
https://www.youtube.com/watch?v=fZMPDCNyQxE

[Ramoncito]

Het lijkt om een materiaal te gaan wat slechts één frequentie kan blokkeren. De toon is namelijk monotoon als het metamateriaal wordt verwijderd.

Misschien mooi voor de babyslaapkamer, dan

[RoestVrijStaal]

Het lijkt om een materiaal te gaan wat slechts één frequentie kan blokkeren. De toon is namelijk monotoon als het metamateriaal wordt verwijderd. Daarnaast geven de onderzoekers aan dat het een toepassing heeft op situaties waar ook een monotone, of in ieder geval constante frequenties worden gebruikt.

Gemixte frequenties zoals muziek, spraak, achtergrondgeluid, stadsgeluid en dergelijke zijn dus nog totaal niet aan de orde.

Oh jammer, ik wou namenlijk wel een gordijn van zo'n materiaal om dit tegen te gaan: nieuws: Wetenschappers reconstrueren geluid uit stille videofragmenten

[trogdor]

Dik fluweel, werkt perfect.

[Nicael]

Ze spreken in de samenvatting over experimentele validatie van de methodologie.Dus het is aannemelijk dat de methodologie ook voor een spectrum van frequenties kan worden toegepast.

[Part]

94% dat is dus een demping van ongeveer 13dB of is het 26dB ?
Waarom geven ze de demping in procenten en waarom in dat filmpje in nietszeggende volts?

[Reactie gewijzigd door Part op 23 juli 2024 02:25]

[DeVins]

Omdat Volts wel aardig wat zeggend zijn.

VU = Voltage Unit, en dat drukt in een meting wat beter uit dan dB's die voornamelijk ruimteafhankelijk zijn

[koelpasta]

Das incorrect.
VU is nog altijd in dB. Het is ook eigenlijk dBVU (dB's van het type VU). Hierbij dient een bepaald arbitrair voltage enkel een referentiepunt.
Het zijn dus geen volts zoals die in het filmpje te zien zijn. Daar zie je een lineaire schaal en geen decibelschaal.

De opmerkingen van Part hierboven zijn helemaal terecht.
Je hoeft ook helemaal niks te weten over het voltage oid om een relatieve demping aan te duiden.

Verder klopt er geen zak van dit artiekel.
Een demping van 94% is niet eens -30dB verandering. Je kunt dan onmogelijk spreken van het compleet wegfilteren van een frequentie.
Verder werkt dit systeem dus op 1 enkele frequentie filtert maar er wordt gesproken dat het 'lawaai' kan wegfilteren. Maar bij lawaai heb je het over pootentieel onnoemelijk veel onafhankelijke frequenties.
Het hele artiekel is dus vrij onzinnig en is eigenlijk regelrechte clickbait geproduceert door Boston University.

[TWyk]

Een demping van 94% is niet eens -30dB verandering

toch is het gigantisch veel.

Een reductie van meer dan 10 decibel zou voor bijvoorbeeld snelwegen al heel significant zijn.

[koelpasta]

-10dB stelt echt niet veel voor hoor.
Nou heb je bij gehoor ook een soort drempelwaarden voor perceptie.
En als het geluid zelf al zacht is dan is een reductie merkbaarder.

Neemt niet weg dat deze dingen slechts op 1 frequentie werken en dat snelwegggeluid een breed ruisspectrum heeft. Kansloos dus.

[TWyk]

De onderzoekers noemen specifiek snelwegen als een doel voor de technologie.

[koelpasta]

En dat is precies wat ik er leugenachtig aan vind.

[Ford Prefect]

Als je VU bedoelt zoals in VU meter, dan staat VU voor Volume Unit dacht ik zo? Volgens mij zijn VU meters veel meer een moving average.

Het hangt er natuurlijk ook helemaal van wat voor een type dB je het er over hebt, het hele dB wereldje is ondertussen behoorlijk vervuild met dBFS, dBu, dBv en dan heb je nog de A en C wegingen. Het beter uitdrukken van een meting hangt er ook helemaal vanaf wat je precies probeert te meten natuurlijk. Het mensenlijk gehoor heeft qua gevoeligheid een verre van simpele schaal als het gaat over welke frequenties wij heel gevoelig voor zijn.

De laatste tijd zie ik dat veel mensen LUFS beginnen te gebruiken naast hun reguliere dBFS metingen.

[koelpasta]

het hele dB wereldje is ondertussen behoorlijk vervuild met dBFS, dBu, dBv

Dit zijn nog steeds dezelfde dB's alleen anders gerefereerd.
Een verandering van 6 dBFS is hetzelfde als een verandering van 6 dBu alsook 6 dBv.
Er zijn ook andere dB's die anders geschaald zijn maar deze 3 zijn dus eigenlijk hetzelfde.

Verder heb je wel gelijk in dat het waargenomen volume van menselijk gehoor enorm verschilt in gevoelighied per frequentie.

[Riwe89]

Ik zie ook mogelijkheden voor geluidsstudio's en klusruimtes. Zo kan ik in de avonduren nog even lekker doorgaan met hobbyen en zonder dat de buren er last van hebben bijv. Ik ben benieuwd of dit mogelijk gaat worden met dit materiaal zonder dat ik meteen een "kamer in een kamer" moet maken.

[stuiterveer]

In dit geval is het antwoord: maak vooral maar gebruik van een "kamer in een kamer". Zoals @Ruudjah ook al zegt werkt dit voor 1 frequentie, waarbij je bij klussen veel verschillende geluiden kunt hebben en dus maar 1 specifieke toon weghaalt in een wirwar van verschillende tonen.

[koelpasta]

Ik zie ook mogelijkheden voor geluidsstudio's en klusruimtes.

Wat heb je aan het wegfilteren van een ekele vaste frequentie in een geluidsstudio of klusruimte?

[bwerg]

geluidsstudio's

Maar daar heb je toch helemaal geen behoefte aan een opening tussen jouw studio en de buren? Een dikke isolerende muur ertussen werkt dan prima.

Ik vind het een prachtige uitvinding hoor, maar als je een hamer uitvindt wordt niet elk probleem een spijker.

[Reactie gewijzigd door bwerg op 23 juli 2024 02:25]

[watercoolertje]

Welke mogelijkheid zie je dan? Dat je aan het begin van z'n buis gaat wonen?

Volgens mij werkt het niet echt om je muur hier mee te beplakken oid, dat wordt dus een buis in een kamer eigenlijk ook een kamer in een kamer dus...

[BadRespawn]

Je hebt het artikel niet gelezen.

"De vorm van het akoestische metamateriaal is helemaal aan te passen op basis van de toepassing; het hoeft geen ring te zijn en kan allerlei vormen aannemen. Voor een muur denken ze aan een hexagonale vorm die samengevoegd kan worden als een openluchthoninggraatstructuur."

[Bitzer]

Dat cirkelvormige ding past perfect in uitlaten van auto's en motorfietsen.

[ajolla]

Dan moet 'ie wel met een CVT zijn uitgerust zodat de motor op maar één vast toerental hoeft te draaien.

[TWyk]

Die hebben tegen de tijd dat dit volledig uitontwikkeld is vrijwel geen uitlaten meer

[AOC]

Zou dit systeem dan ook op een straalmotor bevestigd kunnen worden?

[Soldaatje]

Zo te zien wel, want de lucht heeft geen weerstand, gaat er recht doorheen. Echter zal het nog wel even duren voor zoiets de lucht in mag (20 jaar), ivm de veiligheid en testen.

[Reactie gewijzigd door Soldaatje op 23 juli 2024 02:25]

[downtime]

Dat hoeft geen 20 jaar te duren. Zo lang duurt het ontwikkel- en testtraject van een heel vliegtuig niet eens. Als het materiaal echt werkt en niet teveel bezwaren heeft (qua veiligheid, kosten, etc) dan kunnen we het binnen vijf jaar wel met eigen ogen zien.

[Soldaatje]

Daarom zette ik het ook tussen haakjes, maar als we over vijf jaar in een vliegtuig kunnen stappen die dit heeft zou ik wel snel vinden, ik hoop het.

[koelpasta]

Jawel, maar je hebt er alleen niks aan.

[Klaus F.]

Kan me ook voorstellen dat dit zeer interessant is voor diverse militaire organisaties.
Die zouden er als de stelling credible is al bovenop zitten.

[Toettoetdaan]

Dit hebben we straks hard nodig als elk huis aan de warmtepomp gaat. Ééntje valt nog niet op qua geluid, maar zet er een hele straat mee vol en dan klinkt het als een vrachtwagen die warm staat te draaien.

[TNJ]

Ideaal voor de stofzuigers.

[lapps]

Hmmm, ik zie een transmissielijn met een impedantieaanpassing op het uiteinde (zoals een geluidsdemper op een wapen). 'k Zou graag praktische testen zien waarin de voorgestelde toepassingen worden gedemonstreerd. Zal niet eenvoudig zijn vrees ik.

[steveman]

Veelbelovend voor een goede nachtrust in lawaaierige gebieden lijkt me

Ben heel benieuwd hoe goed dit werkt op straalmotoren (en visite van buren die 's nachts claxonerend vertrekken )

[koelpasta]

Veelbelovend voor een goede nachtrust in lawaaierige gebieden lijkt me

Nope

Ben heel benieuwd hoe goed dit werkt op straalmotoren (en visite van buren die 's nachts claxonerend vertrekken )

Zeer slecht tot niet aangezien een straalmotor ongelovelijk veel verschillende frequenties tegelijk produceert en dit ding er slechts 1 kan wegfilteren.

[JDx]

Lol, ik woonde hiervoor in een buurt waar veel bouwvakkers smorgens om 06:00 vertrokken en allemaal toeterden naar de vrouw wanneer ze weg gaan.

Heb nu alleen 1 irritante vrachtwagen die over de rondweg rijdt elke ochtend rond 6:00 en dan toetert, familie woont vast langs de rondweg ofzo of hij komt elke ochtend een collega tegen.