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El MIT presenta un tejido sedoso que silencia los ambientes ruidosos

El mundo se está volviendo cada vez más ruidoso. Desde el zumbido del tráfico fuera de su ventana hasta el televisor a todo volumen del vecino y los ruidos provenientes del cubículo de un compañero de trabajo, el ruido no deseado sigue siendo un problema rotundo.

Ya sea generando ondas sonoras intencionalmente o tratando de mitigar ruidos no deseados, el control del sonido presenta un área de desafío y oportunidad.

La reducción activa de ruido implica la supresión del sonido a un volumen pequeño y se ha convertido en un campo de aplicación importante para auriculares y cascos, donde sólo se necesita una pequeña zona tranquila cerca del tímpano. La supresión del sonido volumétrico se implementa a gran escala, como en una habitación, principalmente mediante métodos pasivos como la reflexión del sonido utilizando materiales con alta impedancia acústica o la absorción del sonido que generalmente se realiza mediante estructuras fibrosas o espumas aislantes.

¿Se puede silenciar el ruido utilizando una tela no más gruesa que un cabello humano? Los investigadores del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) afirman haber logrado esta asombrosa hazaña. Una colaboración interdisciplinaria entre investigadores del renombrado instituto y colegas de otras destacadas universidades estadounidenses ha desarrollado un tejido de seda que amortigua el sonido y que puede utilizarse para crear espacios tranquilos.

El secreto está en la fibra.

La tela contiene fibras especiales que vibran cuando se le aplica voltaje eléctrico. Los investigadores han aprovechado estas vibraciones para suprimir el sonido de dos formas diferentes. Una es que la tela vibrante genera ondas sonoras que interfieren con el ruido no deseado para cancelarlo, similar a los auriculares con cancelación de ruido, que funcionan bien en un espacio pequeño como los oídos, pero no en recintos grandes como habitaciones o aviones.

Esta tela puede bloquear el sonido generando ondas sonoras que interfieren con el ruido no deseado para cancelarlo (como se muestra en la Figura C) o sujetándola firmemente para suprimir las vibraciones que son esenciales para la transmisión del sonido (como se muestra en la Figura D). (Crédito: Yoel Fink y Grace (Noel) Yang)

La otra tecnología, más sorprendente, implica estabilizar el tejido para suprimir las vibraciones que son esenciales para la transmisión del sonido. Esto evita la transmisión de ruido a través de la tela y amortigua el sonido exterior. Este segundo enfoque permite reducir el ruido en espacios más grandes como habitaciones o coches.

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Utilizando materiales comunes como seda, tela y muselina, los investigadores han creado telas amortiguadoras de ruido que pueden implementarse prácticamente en entornos del mundo real. Por ejemplo, se puede utilizar este tipo de tela para crear particiones en espacios de trabajo abiertos o paredes de tela fina que impidan el paso del sonido.

«Es mucho más fácil crear ruido que crear silencio. De hecho, para mantener el ruido fuera, hemos asignado un gran espacio a paredes gruesas. Presentamos un nuevo mecanismo para crear espacios silenciosos utilizando una fina capa de tela», dijo el profesor. Yoel Fink, profesor de Ciencia e Ingeniería de Materiales y autor principal del estudio».

La autora principal del estudio fue la Dra. Grace (Noelle) Yang, y su equipo incluyó a estudiantes graduados del MIT y al profesor de ingeniería química Zachary Smith; Estudiantes de posgrado de la Universidad Case Western en Cleveland, Ohio; el profesor Zhou Ma de la Universidad de Wisconsin, Madison; y estudiante de posgrado en la Escuela de Diseño de Rhode Island.

Su estudio acaba de aparecer en la revista. Materiales avanzados Bajo el título “Tejidos monocapa de seda y algodón para emisión acústica y insonorización activa”.

En investigaciones anteriores, cosieron una sola hebra de fibra piezoeléctrica que produce una señal eléctrica cuando se comprime o se dobla en la tela. Cuando el ruido cercano hace que la tela vibre, las fibras piezoeléctricas convierten esas vibraciones en una señal eléctrica que puede captar el sonido.

En su nuevo estudio, los investigadores le dieron la vuelta a la idea y crearon un altavoz de tela que se puede utilizar para cancelar las ondas sonoras. La aplicación de una señal eléctrica a la fibra piezoeléctrica hace que vibre y genere sonido. Los investigadores lo demostraron tocando «Air» de Bach utilizando una pieza de seda de 130 micrómetros de largo montada sobre un marco circular.

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«Aunque podemos utilizar telas para producir sonido, ya hay mucho ruido en nuestro mundo. Pensamos que crear silencio podría ser más valioso», explicó Yang.

Para permitir la supresión directa del sonido, los investigadores utilizan un tweeter de tela de seda para emitir ondas sonoras que interfieren destructivamente con las ondas sonoras no deseadas. Controla las vibraciones de las fibras piezoeléctricas para que las ondas sonoras que emanan del tejido sean contrarrestadas por ondas sonoras no deseadas que golpean el tejido, lo que puede anular el ruido, pero esta tecnología sólo es efectiva en un área pequeña. Entonces, los investigadores se basaron en esta idea para desarrollar una tecnología que utiliza vibraciones de la tela para suprimir el sonido en áreas mucho más grandes, como el dormitorio.

Digamos que sus vecinos están viendo un programa deportivo a todo volumen en la televisión en medio de la noche. Escuchas ruido en tu habitación porque el sonido en su departamento hace que la pared compartida vibre, creando ondas sonoras en tu costado.

Para suprimir este sonido, puedes colocar la tela de seda en tu lado de una pared común y controlar las vibraciones en las fibras para obligar a la tela a permanecer quieta. Esta supresión de vibraciones evita que el sonido se transmita a través del tejido. «Si podemos controlar esas vibraciones y evitar que ocurran, también podemos detener el ruido resultante», añadió Yang.

Sorprendentemente, los investigadores descubrieron que sostener la tela hace que el sonido se refleje a través de la tela, lo que da como resultado una fina pieza de seda que refleja el sonido como lo hace un espejo con la luz.

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Sus experimentos también revelaron que las propiedades mecánicas del tejido y el tamaño de sus poros afectan la eficiencia de la generación de sonido. Si bien la seda y la muselina tienen propiedades mecánicas similares, el tamaño más pequeño de los poros de la seda la convierte en un mejor amplificador que la tela.

Pero el tamaño efectivo de los poros también depende de la frecuencia de las ondas sonoras. Si la frecuencia es lo suficientemente baja, incluso las telas con poros relativamente grandes pueden funcionar de manera efectiva, dijo Yang.

Cuando probaron la tela de seda en modo de supresión directa, los investigadores descubrieron que podía reducir significativamente el volumen de los sonidos hasta en 65 decibelios (aproximadamente tan alto como una conversación humana entusiasta). En el modo de supresión de vibraciones, el tejido puede reducir la transmisión del sonido hasta en un 75%.

En el futuro, los miembros del equipo quieren explorar el uso de su tejido para bloquear el sonido multifrecuencia. Esto probablemente requeriría un procesamiento de señales complejo y electrónica adicional. También pretenden estudiar la estructura del tejido para ver cómo cambiar cosas como el número de fibras piezoeléctricas, la dirección en la que se tejen o los voltajes aplicados pueden mejorar el rendimiento.

«Hay muchas perillas que podemos girar para hacer que esta tela insonorizada sea realmente efectiva. Queremos que la gente piense en controlar las vibraciones estructurales para suprimir el sonido», concluyó Yang.

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