Las estructuras PGUOM rectangulares y cilíndricas funcionan con el mismo mecanismo subyacente, que ofrece un rendimiento comparable de silenciamiento de banda ancha. Ambas geometrías mantienen un alto flujo de aire, subrayando la versatilidad del metamaterial en diversos escenarios de aplicación. Las muestras que se muestran fueron impresas en 3D usando una impresora comercial. Crédito: Zhiwei Yang y Xin Zhang
Un nuevo avance del laboratorio Zhang en la Universidad de Boston está haciendo olas en el mundo del control de sonido.
Dirigido por el profesor Xin Zhang (ME, ECE, BME, MSE), el equipo tiene publicado Un nuevo artículo en informes científicos titulado “Metamateriales ultra abiertos de gradiente de fase para silenciamiento acústico de banda ancha”.
El artículo marca un gran avance en su proyecto de silenciador metamaterial acústico de larga duración.
El laboratorio Zhang es reconocido en los campos de metamateriales y microsistemas por su continuo avance de las aplicaciones del mundo real. En 2019, su investigación sobre un Silenciador metamaterial acústico—O “Sound Shield” —Moded “bloqueó significativamente el sonido mientras se mantiene el flujo de aire, basado en los efectos de resonancia de Fano”, en palabras del laboratorio. En ese momento, las aplicaciones se centraron en ventiladores, hélices y sistemas HVAC, dirigidos a la reducción del ruido de banda estrecha mientras preservan el paso de aire.
Desde entonces, el laboratorio Zhang ha extendido su trabajo para explorar una gama más amplia de estrategias de silenciamiento acústico, incluidos enfoques de banda múltiple, banda ancha y sintonizable, lo que hace que la tecnología sea viable en nuevos entornos como fábricas, oficinas y espacios públicos, donde las frecuencias de sonido diversas y impredecibles son comunes y el flujo de aire sigue siendo esencial.
Su último avance se centra en el silenciamiento de banda ancha. Si bien este control más amplio viene con una modesta compensación en el rendimiento máximo de silenciamiento, un desafío común al cambiar de banda estrecha a supresión de banda ancha, desbloqueó nuevas posibilidades poderosas. El avance se hizo posible mediante el uso de metamateriales de gradiente de fase, dando lugar al metamaterial ultra abre de gradiente de fase (PGUOM).
El PGUOM ventilado personalizado de la Universidad de Boston logra el silenciamiento acústico de banda ancha mientras preserva el flujo de aire, realizando hasta un 70% de apertura. Crédito: Zhiwei Yang y Xin Zhang
“Pguom adopta un enfoque más inteligente, más como auriculares que cancelan el ruido, silenciando de manera efectiva una banda ancha de sonidos no deseados”, dice Zhang.
“Sigue siendo altamente efectivo incluso cuando el ruido cambia en el tono o el volumen, lo que lo hace mucho más práctico en entornos dinámicos como oficinas abiertas, sistemas de ventilación o centros de transporte, donde las fuentes de sonido son impredecibles y abarcan una amplia gama de frecuencias”.
“Los diseños anteriores basados en la resonancia Fano, desarrollados por nuestro equipo, fueron como ajustar una radio para bloquear una sola estación”, dice Zhang. “Pguom adopta un enfoque más inteligente, más como los auriculares que cancelan el ruido, silenciando de manera efectiva la banda ancha de los sonidos no deseados. Sigue siendo altamente efectivo incluso cuando el ruido cambia en el tono o el volumen, lo que lo hace mucho más práctico en entornos dinámicos como oficinas abiertas, sistemas de ventilación o centros de transporte, donde las fuentes de sonido son impredecibles y abarcan una amplia gama de frecuencias”.
Otros avances en el proyecto le han proporcionado al equipo una mayor flexibilidad de diseño, lo que les permite preservar el flujo de aire mientras se adapta la estructura a los sistemas del mundo real.
Zhang explica que el metamaterial está compuesto por supercélulas simples o repetidas, cada una de las cuales consta de tres células unitarias de longitud de subwavel. Las barreras sólidas se incorporan a la primera y tercera unidad de las células para inducir cambios de fase controlados en las ondas de sonido entrantes, mientras que la celda unitaria central permanece abierta para permitir el flujo de aire sin obstrucciones. Estos cambios de fase diseñados generan un gradiente de fase 2π completo en cada supercélula, convirtiendo ondas de sonido entrantes en ondas de superficie falsos, contrapartes acústicas de plasmones de superficie electromagnéticos, que están atrapados y disipados a lo largo de la superficie.
El resultado: el ruido de banda ancha se suprime de manera eficiente, mientras que se mantienen el flujo de aire y la adaptabilidad geométrica.
“Nuestro diseño no es de talla única, y eso es una fuerza”, dice Zhang. “Es personalizable tanto en el rango de frecuencia como en el nivel de flujo de aire, dependiendo de la aplicación”.
A diferencia de las estructuras tradicionales de gradiente de fase con celdas unitarias uniformes, su diseño amplía la celda central para acomodar las diferentes necesidades del flujo de aire sin comprometer el rendimiento del silenciamiento.
La motivación detrás del trabajo es clara: “La exposición crónica al ruido excesivo, a menudo pasado por alto en comparación con la contaminación del aire y el agua, puede afectar seriamente la salud humana, contribuir a la pérdida auditiva, la interrupción del sueño, los niveles de estrés aumentados e incluso la enfermedad cardiovascular”, señala Zhang.
Pero el impacto no se detiene con los humanos: la contaminación no alivia también interrumpe la vida silvestre, alterando los patrones de apareamiento y caza y ecosistemas desestabilizadores. Con los recientes avances de diseño centrados en los materiales más ligeros, más abiertos y con capacidad de banda ancha, el equipo ahora está abordando estos desafíos en una escala más amplia, que indica un mayor impacto del mundo real.
Estos avances no son solo teóricos. El equipo ha pasado con éxito de la simulación a los prototipos físicos, y ahora está mirando la implementación futura.
“Nos estamos centrando en integrar nuestros diseños en productos y aplicaciones específicos, al tiempo que optimizamos los metamateriales para procesos de fabricación escalables”, dice Zhang. “También estamos trabajando para mejorar aún más el rendimiento del bloqueo de ruido, para que se atenúe una alta atenuación en bandas de frecuencia aún más amplias, al tiempo que preservan la baja resistencia al flujo de aire y minimizan el grosor general”.
En última instancia, el laboratorio Zhang está desarrollando soluciones versátiles y escalables que se pueden aplicar en todas las industrias para hacer del mundo un lugar más tranquilo y saludable.
Más información: Zhiwei Yang et al, Metamateriales ultra abiertos de gradiente de fase para silenciamiento acústico de banda ancha, informes científicos (2025). Dos: 10.1038/s41598-025-0485-6
Proporcionado por la Universidad de Boston
Cita: Este escudo de sonido más inteligente bloquea más ruido sin bloquear el aire (2025, 6 de agosto) Recuperado el 6 de agosto de 2025 de https://techxplore.com/news/2025-08-smarter-shield-bloocks-noise-bloquing.html
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