소음 문제 해결: 혁신적인 소음 제거 실크

 

MIT 연구원들은 진동을 사용하여 소리를 억제하는 실크 직물을 개발하여 간섭을 통해 소음을 제거하고 소음 전달을 방지하는 두 가지 기술을 제공한다.

이 혁신적인 소재는 시끄러운 환경을 고요한 공간으로 바꿔 자동차, 방, 개방형 작업 공간에서 사용하기에 이상적이다.

 

소음 문제와 MIT의 혁신적인 솔루션

우리는 끊임없이 소음이 가득한 세상에 살고 있다. 외부의 교통 소음부터 이웃의 시끄러운 TV 소리, 동료의 칸막이 안에서 들리는 대화까지 원치 않는 소음은 지속적인 문제이다.

이 문제를 해결하기 위해 MIT와 다른 기관의 학제간 연구자 팀은 소리를 억제하고 더 조용한 공간을 만들도록 설계된 혁신적인 실크 패브릭을 개발했다.

 

이 패브릭은 인간의 머리카락만큼 얇으며 전압이 가해지면 진동하는 특수 섬유가 특징이다. 연구자들은 이러한 진동을 두 가지 다른 방식으로 사용하여 소리를 억제했다.

첫 번째 방법은 패브릭을 사용하여 소음 제거 헤드폰과 매우 유사하게 원치 않는 소음을 방해하고 제거하는 음파를 생성한다. 그러나 이 기술은 작은 공간에서는 효과적이지만 방이나 비행기와 같은 더 큰 공간에서는 그다지 실용적이지 않다.

두 번째, 더 놀라운 기술은 패브릭을 고정하여 소리를 전달하는 진동을 차단하는 것이다. 이 소리 전달을 중단함으로써 패브릭은 더 넓은 공간에서 소음을 크게 줄여 방이나 차량과 같은 공간에 이상적이다.

 

패브릭은 원치 않는 소음을 방해하는 음파를 생성하여 소리를 상쇄하거나(그림 C 참조) 소리 전달에 중요한 진동을 억제하기 위해 고정하여 소리를 억제할 수 있다(그림 D 참조). 출처: 연구원 제공

 

실용적 응용 분야 및 전문가 통찰력

연구원들은 실크, 캔버스, 모슬린과 같은 일반적인 소재를 사용하여 실제 공간에 구현하기에 실용적인 소음 억제 패브릭을 만들었다. 예를 들어, 이러한 패브릭을 사용하여 열린 작업 공간의 칸막이를 만들거나 소리가 통과하지 못하게 하는 얇은 패브릭 벽을 만들 수 있다.

 

"소음은 조용하게 만드는 것보다 훨씬 쉽다. 사실, 소음을 차단하기 위해 우리는 두꺼운 벽에 많은 공간을 할애한다. [첫 번째 저자] 그레이스의 연구는 얇은 패브릭 시트로 조용한 공간을 만드는 새로운 메커니즘을 제공한다." 재료 과학 및 공학과 전기 공학 및 컴퓨터 과학과의 교수이자 전자 연구실의 주요 연구원이며 패브릭에 대한 논문의 수석 저자인 요엘 핑크가 말했다.

 

실크로 만드는 고요함

소리를 억제하는 실크는 그룹의 이전 연구를 바탕으로 패브릭 마이크를 만든다.

그 연구에서 그들은 압전 섬유 한 가닥을 패브릭에 꿰매었다. 압전 재료는 압착되거나 구부러질 때 전기 신호를 생성한다. 근처 소음으로 인해 패브릭이 진동하면 압전 섬유가 그 진동을 전기 신호로 변환하여 소리를 포착할 수 있다.

 

새로운 연구에서 연구자들은 이 아이디어를 뒤집어서 음파를 상쇄하는 데 사용할 수 있는 패브릭 라우드스피커를 만들었다.

"우리는 패브릭을 사용하여 소리를 만들 수 있지만, 우리 세상에는 이미 너무 많은 소음이 있다. 우리는 침묵을 만드는 것이 훨씬 더 가치 있을 수 있다고 생각했다."라고 양은 말한다.

 

소리 억제의 과학

압전 섬유에 전기 신호를 인가하면 진동하여 소리가 발생한다. 연구자들은 원형 프레임에 장착된 130마이크로미터 실크 시트를 사용하여 바흐의 "에어"를 재생하여 이를 시연했다.

직접적인 소리 억제를 가능하게 하기 위해 연구자들은 실크 패브릭 라우드스피커를 사용하여 원치 않는 음파를 파괴적으로 방해하는 음파를 방출한다. 그들은 압전 섬유의 진동을 제어하여 패브릭에서 방출되는 음파가 패브릭을 강타하는 원치 않는 음파와 반대가 되도록 하여 소음을 상쇄할 수 있다.

 

그러나 이 기술은 작은 영역에서만 효과적이다. 그래서 연구자들은 이 아이디어를 바탕으로 침실과 같이 훨씬 더 넓은 공간에서 소리를 억제하기 위해 패브릭 진동을 사용하는 기술을 개발했다.

 

실제 소음 제어

예를 들어, 옆집 이웃이 한밤중에 푸스볼을 하고 있다고 가정해 보겠다. 이웃집 아파트의 소리로 인해 공유하는 벽이 진동하여 귀하의 쪽에 음파가 형성되어 침실에서 소음이 들린다.

연구자들은 그 소리를 억제하기 위해 실크 패브릭을 공유 벽의 귀하 쪽에 놓고 섬유의 진동을 제어하여 패브릭이 움직이지 않도록 할 수 있다. 이 진동 매개 억제는 소리가 패브릭을 통해 전달되는 것을 방지한다.

"우리가 그 진동을 제어하고 발생을 막을 수 있다면 생성되는 소음도 막을 수 있다."라고 양은 말한다.

 

소리를 위한 거울

놀랍게도 연구자들은 직물을 고정하면 소리가 직물에 반사되어 거울이 빛을 반사하는 것처럼 소리를 반사하는 얇은 실크 조각이 생긴다는 것을 발견했다.

그들의 실험은 또한 직물의 기계적 특성과 기공 크기가 모두 소리 생성의 효율성에 영향을 미친다는 것을 보여주었다. 실크와 모슬린은 기계적 특성이 비슷하지만 실크의 기공 크기가 작기 때문에 더 나은 직물 라우드스피커가 된다.

 

그러나 효과적인 기공 크기는 음파의 주파수에도 따라 달라진다. 주파수가 충분히 낮으면 비교적 기공이 큰 직물조차도 효과적으로 기능할 수 있다고 양은 말한다.

 

연구자들은 실크 직물을 직접 억제 모드에서 테스트했을 때 최대 65데시벨(열광적인 인간 대화와 거의 비슷한 크기)의 소리 볼륨을 크게 줄일 수 있다는 것을 발견했다. 진동 매개 억제 모드에서 직물은 소리 전달을 최대 75%까지 줄일 수 있다.

 

미래 방향과 기술 발전

핑크는 이러한 결과는 강력한 협력자 그룹 덕분에 가능했다고 말한다. 로드 아일랜드 디자인 스쿨의 대학원생은 연구자들이 직물을 구성하는 세부 사항을 이해하도록 도왔다. 매디슨에 있는 위스콘신 대학의 과학자들은 시뮬레이션을 수행했다. 케이스 웨스턴 리저브 대학교의 연구자들은 재료를 특성화했으며 MIT의 스미스 그룹의 화학 엔지니어는 가스 막 분리에 대한 전문 지식을 사용하여 직물을 통한 공기 흐름을 측정했다.

 

앞으로 연구자들은 직물을 사용하여 여러 주파수의 소리를 차단하는 방법을 탐구하고자 한다. 이를 위해서는 복잡한 신호 처리와 추가 전자 장치가 필요할 것이다.

또한 그들은 직물의 구조를 더 연구하여 압전 섬유의 수, 꿰매는 방향 또는 인가된 전압과 같은 사항을 변경하면 성능이 어떻게 향상될 수 있는지 알아보고자 한다.

"이 소음 억제 직물을 정말 효과적으로 만들기 위해 돌릴 수 있는 노브가 많이 있다. 우리는 사람들이 소리를 억제하기 위해 구조적 진동을 제어하는 ​​것에 대해 생각하게 만들고 싶다. 이것은 시작에 불과한다."라고 양은 말한다.