新材料：マサチューセッツ工科大学の研究者は振動を利用して音を抑制する絹織物を開発した

マサチューセッツ工科大学の研究者は、人の髪の毛より少し太いだけの厚さを持つ絹織物を開発し、不要な騒音を抑制し、広い部屋での騒音の伝播を減らすことができる。画像ソース：マサチューセッツ工科大学ニュース、iStock

私たちは持続的な騒音に満ちた世界に住んでいます。外の車の音から近所の人の大騒ぎのテレビの音、同僚の部屋の小言まで、絶え間ない騒音は私たちが直面している挑戦です。

この問題を解決するために、マサチューセッツ工科大学や他の機関の学際的な研究チームは、音を抑え、より静かな空間を作るために革新的な絹織物を開発しました。

この織物は髪の毛のように細く、電圧を印加すると振動する特殊な繊維を持っている。研究者はこれらの振動を利用して2つの異なる方法で音を抑制した。

第1の方法は、ノイズ低減ヘッドホンのように、織物を利用して音波を発生させ、ノイズを干渉させ、不要なノイズを除去することです。しかし、この技術は狭い範囲では有効だが、部屋や飛行機などの広い空間ではあまり実用的ではない。

第2のより驚くべき技術は、織物を静止させ、それによって音伝播の振動を遮断することである。音の伝播を阻止することにより、この織物は大きな領域の騒音を著しく低減することができるので、部屋や車両などの空間に使用するのに最適である。

布地は音波を発生させることによって音を抑制することができ、音波は望ましくない騒音を妨害し、それによって（図Cに示すように）除去することができ、あるいは静止不動によって振動を抑制することができ、振動は音の伝播の鍵である（図Dのように）を参照）。画像ソース：研究者提供

シルク、キャンバス、薄絹などの一般的な材料を使用することによって、研究者は現実空間で実際に応用できる騒音抑制織物を創造した。例えば、このような織物を用いて開放的な作業空間の仕切り板を作ったり、音が透過しないように薄い織物の壁を作ったりすることができます。

「騒音は静かさよりも作りやすい。実は、騒音を遮断するために、厚い壁を作るために多くの空間を使用しています。「材料科学と工学系、電子工学とコンピュータ科学系教授、電子研究実験室主任研究員、織物に関する論文のベテラン著者ユル・フィンク（YoelFink）氏は、「［第一著者］グレースの研究は、薄い織物で静かな空間を創造する新しいメカニズムを提供している」と述べた。

この研究の最初の著者は、21級SM、24級博士グレース（Noel）Yangである。共同著者にはマサチューセッツ工科大学院生のTaigyu氏が含まれているJoo、Hyunhee Lee、Henry Cheung、Yongyi Zhao、マサチューセッツ工科大学ロバート・ノイス化学工学職業発展教授ZacharySmith;ケイシーストレージ大学の大学院生Guanchun Ruiと教授Lei Zhu、ウィスコンシン大学マディソン校大学院生ジヌアン・リンと助教授ChuMa、およびロードアイランドデザイン学院大学院生Latika Balachander。この研究に関するオープンアクセス論文は『先進材料』に発表された。

この音抑制シルクは、グループの前に織物マイクを製造したことに基づいて発展した。

この研究では、彼らは1本の圧電繊維を織物に縫い込んだ。圧電材料は、押出または曲げられたときに電気信号を発生する。近くの騒音が織物の振動を引き起こすと、圧電繊維はこれらの振動を電気信号に変換し、音を捕捉する。

この新しい研究では、研究者はこの考えを覆し、音響波を打ち消すために使用できる織物スピーカーを作り出した。

「私たちは織物で音を作ることができますが、私たちの世界にはすでに騒音が多すぎます。私たちは、静かさを作るほうが価値があるかもしれないと考えています」と楊氏は言った。

圧電繊維に電気信号を印加すると振動し、音が発生する。研究者は円形フレームに取り付けられた長さ130ミクロンのシルクフレークを使ってバッハの「空気」を演奏し、それを証明した。

直接音抑制を実現するために、研究者はシルク織物スピーカーを用いて音波を発射し、不要な音波に破壊的な干渉を行った。彼らは圧電繊維の振動を制御し、布が発する音波が布に衝突する不要な音波と逆になるようにして、騒音を相殺する。しかし、この技術は小さな範囲でしか有効ではありません。そこで、研究者はこの考えに基づいて、織物の振動を利用して寝室などのより広い範囲の音を抑制する技術を開発した。

隣の人が夜中にテーブルサッカーをしているとします。寝室で騒音を聞くことができます。彼らのアパートの音は壁を共有する振動を引き起こし、あなたの側で音波を形成するからです。この音を抑えるために、研究者は絹織物を壁を共有するあなたの側に置いて、繊維の振動を制御して、織物を静止させることができます。この振動を媒介とする抑制作用により、織物を介した音の伝播を防止することができる。

ヤン氏は、「振動を制御して阻止できれば、騒音の発生を防ぐことができる」と話した。

驚くべきことに、研究者は、織物を静止させると、織物によって音が反射され、薄いシルクが鏡のように光を反射するように音を反射することを発見した。彼らの実験では、織物の機械的特性と毛穴の大きさが発声効率に影響することも分かった。絹と薄絹は同様の機械的特性を持っているが、絹の孔はより小さく、したがってより良い織物スピーカである。しかし、有効孔の大きさは音波の周波数にも依存する。楊氏によると、周波数が十分に低ければ、比較的穴の大きい織物でも効果的に機能するという。

シルク織物の直接抑制モデルをテストしたところ、研究者は音の音量を著しく下げ、最高65デシベルに達することが分かった（人間と熱心に話す音の差は多くない）。振動を媒介とする抑制モードでは、絹織物は音の伝播を75%低減することができる。

フィンク氏によると、これらの成果は強力な協力者のおかげだという。ロードアイランドデザイン学院の大学院生は、織物の構造の詳細を理解するのを助けた。ウィスコンシン大学マディソン校の科学者がシミュレーションを行った、ケス西貯蔵大学の研究者は材料を特性評価した、マサチューセッツ工科大学スミスグループの化学エンジニアは、ガス膜分離に関する専門知識を利用して織物を通過する気流を測定した。

将来を展望すると、研究者は彼らの織物を利用して様々な周波数の音を遮断する方法を模索したいと考えている。これには、複雑な信号処理と追加の電子機器が必要になる可能性があります。また、布地の構造をさらに研究し、圧電繊維の数、縫合方向や印加電圧などを変えることでどのように性能を高めることができるかを知りたいと考えています。

「私たちは多くのつまみを回して、この消音織物を本当に効果的にすることができます。構造振動を制御して音を抑える方法を考えさせたい。これはほんの始まりにすぎません」と楊氏は言った。