Пенные материалы чаще всего используются для звукоизоляции. Сейчас они эффективны только против высокочастотного шума. Однако низкие частоты могут гораздо серьезнее вредить здоровью человека. Наиболее опасны инфра- и низкочастотные вибрации и шум с частотой менее 0,4 кГц, особенно если они воздействуют на человека в течение длительного времени.
Ученые много раз пытались объединить микро и нано-материалы с целью получить модифицированный материал с улучшенными прочностными, эластичными, динамическими и вибрационными свойствами, который будет надежно изолировать помещение в том числе и от низкочастного шума. Однако акустические характеристики таких материалов улучшить до сих пор не получалось.
Российские и корейские ученые вместе разработали материал с улучшенными акустическими характеристиками. Это вещество представляет собой гибридную нанопену, его получают, дополнительно обогащая обычную звукопоглощающую пену пористыми гранулами из наночастиц кремнезема и магнетита. Для этого пену пропитывают взвесями нанопорошков в жидкости, обрабатывают ультразвуком и просушивают.
Формирующиеся гранулы из наночастиц структурно можно сравнить с аэрогелем. Этот класс материалов проявляет как хорошие теплоизоляционные свойства, так и шумоизоляционные. Однако аэрогели стоят довольно дорого и сложны при использовании в конструкциях. Новый материал структурно схож с аэрогелем, однако лишен его недостатков — высокой цены и инженерных проблем.
Механизм звукопоглощения новой пены основан на том, что ее звукопоглощающая поверхность многократно увеличивается благодаря большому количеству нанопор во введенных частицах, а также расположению этих частиц в матрице пены в виде своеобразных каналов. Наночастицы поглощают энергию звуковой волны, превращая ее в тепло. Вместе с этим возрастают звукозащитные свойства материала. Новый пенный материал продемонстрировал многообещающие результаты на средних частотах и потому теперь необходимо провести более специализированные испытания в области низких частот.
«Любой материал в некотором приближении можно представить сетью связанных между собой пружинками грузов. Такая механическая система всегда имеет собственные полосы частот, на которых колебания распространяются в системе относительно свободно, и запрещенные полосы частот, на которых колебания быстро угасают в системе. С этой позиции эффективно погасить передачу колебаний, в том числе звуковых, возможно, если чередовать материалы таким образом, чтобы свободно распространяющиеся в первом материале колебания оказывались в запрещенной полосе для второго слоя, — комментирует сотрудник ДВФУ Алексей Завьялов. — Конечно, для разработанного пенного материала такая идеализация является слишком грубой. Однако она позволяет наглядно проиллюстрировать фундаментально обусловленную необходимость создания "сэндвич"-структур».
Исследование показало, что метод, при котором пены обогащают составами нанокремнезема или наномагнетита, формирующих гранулы до нескольких сотен микрометров (в соответствии с размерами пор модифицируемого пенного материала) и обладающих порами около 15 нм, достаточно эффективен. Это небольшое дополнение обеспечило более сложную и разветвленную 3D-сеть наноканалов, что привело к дополнительному поглощению шумовой энергии. Благодаря использованному подходу шумопоглощение в диапазоне 2,0-6,3 кГц и на более низких частот 0,5-1,6 кГц было эффективно. Степень поглощения была увеличена на 60-100 % и звукопередача была снижена на 20-22 дБ, вне зависимости от типа нанонаполнителя. Теперь авторы намерены улучшить материал при помощи систем активного шумоподавления.
