I vardagen kan det vara svårt att hitta en balans mellan att utforma utrymmen som både släpper igenom luft och absorberar ljud.
Vanligtvis släpper material som släpper igenom luft – såsom ventilationsöppningar – även igenom ljud, vilket gör det svårt att minska bullret effektivt. Omvänt blockerar ljudabsorberande material såsom skum ofta luftflödet, vilket begränsar deras användning i ventilerade utrymmen.
Ett forskarteam under ledning av professor Nicholas X. Fang från institutionen för maskinteknik vid fakulteten för teknik vid Hongkonguniversitetet (HKU) har löst denna gåta med hjälp av nya vetenskapliga metoder och gjort en spännande upptäckt.
De har identifierat en grundläggande fysikalisk princip som kallas dualitetssymmetri, som sätter nya gränser och öppnar nya möjligheter för utformningen av ventilerade ljudabsorberande material.
Forskningen, som genomfördes i samarbete med professor I. David Abrahams från University of Cambridge och industripartnern Acoustic Metamaterials Group Ltd., publicerades i Nature Communications.
”Det mest spännande ögonblicket för mig var att inse att dualitetssymmetri – ett begrepp från fältteorin – styr absorptionsbandbredden i ett ventilerat system”, säger Dr. Sichao Qu, huvudförfattare och forskningsassistent vid HKU:s institution för maskinteknik. ”Symmetri och absorptionsbandbredd var tidigare två oberoende begrepp. Vår härledning avslöjar en djup matematisk koppling mellan dem.”
Exempel på fotografier av en högpresterande ventilationsljuddämpare. (a) Enkel resonansenhet. (b) Integrerad resonansenhet. (c) Uppmätt absorptionsspektrum (jämfört med en konventionell svamp). Källa: Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-65786-w
Teamet designade en ny typ av ventilerad struktur bestående av två sammankopplade akustiska kammare. Denna konstruktion gör att luften kan strömma fritt samtidigt som ljudenergin fångas upp och sprids genom en process som kallas destruktiv interferens, vilket avsevärt förbättrar ljuddämpningen.
Experiment visade att detta innovativa material kunde absorbera över 86 % av ljudet över ett brett frekvensområde – från låga (300 Hz) till höga (6 000 Hz) frekvenser – och därmed överträffa traditionella skumpaneler med samma tjocklek. Forskarna introducerade också ett nytt prestandamått som kallas meritvärde (FOM), som utvärderar hur väl systemet fungerar över bandbredd, tjocklek och luftflöde samtidigt.
Traditionellt definierar den väl etablerade fysikprincipen ”kausalitetsbegränsning” en teoretisk gräns mellan materialtjocklek och bandbredd. Denna nya studie utmanar inte bara dessa gränser för ventilerade system, utan ger också en ny designmetod baserad på dualitetssymmetri.
Sådana framsteg kan leda till tystare byggnader, bättre bullerkontroll i flygmotorer och effektivare dämpningslösningar inom olika teknikområden. Med hjälp av artificiell intelligens (AI) och avancerade simuleringstekniker har detta genombrott en stor potential för praktiska tillämpningar, vilket gör våra miljöer tystare och bekvämare utan att ventilationen försämras.
Publikationsuppgifter
Sichao Qu et al, Generalized causality constraint based on duality symmetry reveals untapped potential of sound absorption, Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-65786-w
