Исследователи создают эффективный и экономичный звукопоглощающий нанофоам

Это начальный нанопорошок наномагнетита (Fe3O4) с удельной площадью поверхности 70 м2 / г. (Кредит – пресс-служба ФЕФУ)

Новый прорывный материал, способный снизить уровень шума на 100%, был разработан молодым ученым из Дальневосточного федерального университета (ДВФУ) наряду с другими. Новый вспененный материал более эффективен по сравнению со стандартными аналогами, сводя к минимуму уровень передачи шума на 20-22 дБ.

Пена реагирует на звуковые волны как высоких, так и низких частот, что может нанести вред здоровью человека.

Развитие партнерства

Алексей Завьялов, postdoc, научный сотрудник Школы естественных наук, ДВФУ, работал в составе международной команды российских и южнокорейских ученых под руководством профессора С. П. Бардаханова. Результаты исследований Алексея привели к созданию нанофауны – нового шумопоглощающего композиционного материала. Результаты работы были представлены в «Прикладной акустике».

Проблема шума – проблема современной техногенной цивилизации. В Южной Корее города оснащены круглосуточными стационарными и мобильными сетями для мониторинга уровня шума. Уровень урбанизации таких территориально малых стран, как Южная Корея, намного выше, чем в России. Однако в нашей стране эта проблема по-прежнему имеет решающее значение для крупных городов. Разработка новых шумопоглощающих материалов особенно интересна для автомобильной промышленности. Современные люди тратят много времени на вождение автомобилей, а уровень шума внутри автомобилей напрямую определяет качество жизни. Для стран Восточной Азии проблема управления шумом имеет значение для высокоскоростных железнодорожных линий . Пористые материалы представляют собой исключительные звукопоглотители, но их шумопоглощающие свойства могут быть значительно улучшены путем введения нанопористого песка в структуру пены и формирования внутри него внутренних каналов.

Алексей Завьялов, Научный сотрудник, Академический факультет естественных наук, ДВО РАН,

Вредность низких частотных шумов

Вместе с быстрым развитием нанотехнологий было предпринято множество попыток смешать нано- и микросодержащие материалы для разработки модифицированного материала с улучшенными прочными, динамическими, эластичными и вибрационными свойствами. Акустические факторы таких материалов до сих пор не могли быть существенно улучшены.

Пеноматериалы наиболее часто используются для звукоизоляции. Они предлагают правильное качество по разумной цене, но до сих пор были эффективны только для высокочастотных шумов. Одновременно низкие частоты могут быть намного более вредными для здоровья человека.

Инфракрасные и низкочастотные вибрации и шум (ниже 0,4 кГц) являются наиболее вредными и опасными для здоровья и жизни человека. Особенно неблагоприятным является их пожизненное воздействие, которое приводит к критическим патологиям и болезням. Жалобы на такие притеснения превышают 35% от общей суммы жалоб на опасные условия окружающей среды.

Материал пены, созданный российскими и корейскими исследователями, показал многообещающие результаты на средних частотах и, следовательно, требуются более специализированные низкочастотные шумовые испытания

Дешевле и проще для применения, чем Airgel

Усовершенствованные акустические характеристики новейших гибридных нанообъектов были получены путем дополнительной пропитки основной готовой звукопоглощающей пены с пористыми гранулами магнетита и наночастиц кремнезема. Пористую пену погружали в суспензии нанопорошков в жидкости, подвергали ультразвуковой обработке и сушили.

Гранулы наночастиц, сформированные в результате, можно сравнить структурно с общеизвестной группой материалов – аэрогелем. Он обладает не только превосходными теплоизоляционными свойствами, но и обладает хорошей шумозащищенностью. Но аэрогели относительно дороги и сложны при использовании в конструкциях. Новый материал, разработанный по схеме, выдвинутой ученым ФЕУ, структурно похож на аэрогель, но свободен от таких ограничений, как высокая цена и технические вопросы.

Композитная технология

Механизм звукопоглощения новой пены основан на том факте, что ее звукопоглощающая поверхность значительно масштабируется из-за присутствия многочисленных нанопор в инжектированных частицах, а также расположения этих частиц в матрице пены в форма отдельных каналов. Наночастицы диспергируют энергию звуковой волны, превращая ее в тепло. Звукоизолирующие свойства материала растут.

Исследователи обнаружили, что композитная структура наиболее эффективна для снижения шума. Тонкие слои пены, наполненные наночастицами, связаны друг с другом в конструкции «сэндвич». Эта конструкция значительно улучшает звукоизоляционные свойства полученного материала. Результат исследования также указывает на то, что чем больше пенистого материала наполняется наночастицами, тем лучше его звукопоглощение.

В некотором приближении любой материал может быть представлен как сеть весов, соединенных пружинами. Такая механическая система всегда имеет собственные полосы частот, в которых колебания распространяются в системе относительно свободно. Существуют также запрещенные полосы частот, в которых колебания быстро исчезают в системе. Чтобы эффективно погасить передачу колебаний, включая звуковые волны, материалы должны чередоваться таким образом, чтобы флуктуации, распространяющиеся свободно в первом материале, были бы в запрещенной зоне для второго слоя . Конечно, для нашего пеноматериала эта идеализация слишком грубая. Однако это позволяет нам четко проиллюстрировать принципиально обусловленную необходимость создания «сэндвич-структуры».

Алексей Завьялов, Научный сотрудник, Академический факультет Ядерных технологий, Школа естественных наук, ДВФУ

Исследовательский исход

Исследование показало эффективность методики пропитки пеноматериалов наномагнетитом или наносиликой, которые образуют гранулы до нескольких сотен микрометров (в соответствии с размерами пор модифицированного пеноматериала) и поры, размером около 15 нм. Это небольшое объединение обеспечило более сложную и разветвленную 3D-сеть наноканалов, которая привела к дополнительному поглощению энергии шума.

Благодаря используемой методике эффективность поглощения шума достигалась в диапазоне 2,0-6,3 кГц и на более низких частотах 0,5-1,6 кГц. Степень поглощения была повышена на 60-100%, а передача звука была снижена на 20-22 дБ, независимо от типа нанонаполнителя.

Существует возможность дальнейшего улучшения звукопоглощающих свойств нового материала для средних и низких частот с использованием стратегии «активного контроля». Прежде всего, это относится к материалам, полученным с использованием магнетитового нанопорошка. Активные системы защиты от шума уже давно используются в мире. Основная идея – обнаружить шумовые звуковые поля «онлайн» и генерировать звуковые волны в противофазе с помощью громкоговорителей. Это позволяет добиться значительного снижения шума в данной области. Что касается нанофауны, предлагается адаптировать этот подход и активно воздействовать на материал, насыщенный гранулами наночастиц магнетита магнитными полями. Это обеспечит еще лучшее снижение шума.

Алексей Завьялов, Научный сотрудник, Академический факультет Ядерных технологий, Школа естественных наук, ДВФУ

Source link