打敗噪音！波士頓大學 3D 列印的「超材料」在阻隔噪音的同時，還能保持透光和通風

聯合國估計到2050年全球70%左右的人口將居住在城市裡。隨之而來的，是城市污染問題的不斷加重。城市污染的一個關鍵種類，就是噪音污染。城市人口越多，意味著機動車、建築工地，以及居民活動本身造成的聲音越來越大，噪音沶染越來越嚴重。

從源頭降低甚至消除噪音，將會是一項艱巨的工程。不過，把噪音降低到不被人查覺的的程度，是一個非常值得研究的話題。

來自波士頓大學 （Boston University） 工程系和醫學院的四位科學家，最近就在這一領域取得了重大的進展。透過將數學與3D列印相結合，他們創造了一種圓環形狀的新材料，成功的顛覆了一般的常識：

可見光和空氣能夠不受干擾地穿過圓環，94%的音能 （acoustic energy） 卻被消除了。也就是說，透過這個圓環，絕大部分的聲音都被消音了！

大致上的工作原理

大家可能還記得初學物理課上學過的知識，聲音的本質其實是傳播介質振動所產生的波。既然如此，那麼音波在理論上是可以被干擾、減弱甚至消除的，進而達到消音的效果。

團隊成員之一，BU 研究助理 Reza Ghaffarivardavagh 指出，「聲音其實是空氣中非常細微的振動，因此我們的目標是消除掉這些振動。」

實際上，許許多多已有的材質都可以消除掉這些振動。比如玻璃可以減弱聲音的傳播，但它的問題是不透風；同理，一面水泥牆也可以在很大程度上隔音，但它不能透光。而 BU 研究團隊的目標，是創造出一種新的材料，既能透光，也能通風，還能減弱甚至完全消除聲音。

人類已知的大自然當中，和人類能夠生產的一般合成材料，目前都無法滿足這一目標。於是，這就涉及到了團隊成員之一，BU 機械工程系張鋅教授的專業領域：超材料。

超材料 （metamaterial） 是由拉丁語詞根「meta-」和材料 （material） 組成的一個合成詞。它指的是自然界不存在的，擁有一些非自然性質的人造材料。

為什麼超材料擁有這些「不可理喻」的能力？皆因它具有特殊的材質內部微結構，精密程度可能小於它所作用的波長（在本研究中就是音波。）因此，這種材料具有對音波施加影響的能力，可以削弱、折射，甚至大比例反射音波。

在這項研究中，BU 的科學家設計的正是下面這個看起來沒什麼玄妙之處的圓環。從圖中你或許可以看到，在環狀的內部，以及內環的表面上，都具有各不相同的特殊結構。而這些結構的規格，是由複雜的數學計算所得到的。

理論上，這個音學超材料圓環能夠把本來要穿過它的音波，朝著聲源的方向「反彈」回去。

實驗：94%阻擋率

實研究者設計了這樣一個實驗環境（YouTube）：用一個巨大的揚聲器正對著一條 PVC 管播放高頻噪音，把音學超材料圓環插入到 PVC 管的末端，然後測量收到的音波能量。

當圓環安裝在管上時，實驗者幾乎聽不到聲音。透過空心，實驗者卻能看到揚聲器表面上澎湃的震動。取下圓環後，刺耳的高頻噪音立刻充滿了整個房間。

圓環確實「反彈」了本應該穿過空心的絕大部分音波。實驗數據顯示，這塊音學超材料圓環削弱了多達94%的音能。

實驗成功了。

「我們在電腦上的建模一直是這樣的結果，但是真的聽到它的靜音效果，完全是另一種震撼。」團隊成員之一 Jacob Nikolajczyk 興奮地表示。

下圖中展示了不同頻段聲音被減弱的效果。圖示（a） 是400Hz平面波，音能沒有被降低太多；（b） 460Hz，因為類法諾共振效應，音能則被極大削弱了；（c） 則顯示了不同頻率音波（橫軸）在不同開口性（也即開口面積占圓環橫截面總面積的比例，縱軸）上的穿過表現，越藍代表削弱越嚴重。

這項研究已經於今年一月發表在凝聚態物理的核心期刊 Physical Review B 上。

需要提及的是，這種音學超材料，可以進行微調進而針對不同頻段的聲音。但是因為開口結構，它無法屏蔽超低頻以及次音頻段（<20Hz），比如某些柴油發動機和特殊改裝排氣管發出的噪音。

不過，張鋅教授也在 BU 文章的評論裡提到，對於開口結構解決不了的次聲噪音，可以用更經典的不開口、不透氣結構來實現屏蔽。

應用場景：近乎無限

在本研究當中超材料本身的材質並不具備決定性。也就是說，如果3D印表機的列印精度達到要求，這種音學超材料並不限於現在的「塑膠」，也可能是更堅硬的金屬，或者其他更具韌性的材質。

而且最終成型的超材料單品，也不一定非得是圓環。它可以變成更長的管狀，橫截面的形狀也可以改變——比如六邊形。理論上，只需要對材料內部和表面材質進行一定程度的微調，就可以達到相似的效果。

這種音學超材料可以在不同的規模上使用。

如果我們構思大規模的使用場景，相信第一個想到的就是建築外牆。比如機場和火車站航站樓這樣的地方，此時如果超材料的橫截面為六邊形，就能派上很大用場了。

▲ 六邊形堆疊的圖示，僅做參考

如圖所示，這種超材料可以大量無縫堆疊，屏蔽交通工具產生的高噪音，順便還能透光通風，在一定程度上兼具了玻璃窗和通風系統的作用，節能減排。

在中等規模上，汽油車等內燃式交通工具也有被這種超材料改造的潛力。目前汽車噪音主要來自鳴笛、馬路噪音和排氣，後者主要是在排氣系統的尾段放置阻抗性的消音器。好處是聲音降低了，不好的地方是阻礙了發動機的「呼吸」，並且消音器本身是損耗品。

而如果把圓環放置在排氣系統裡，意味著發動機可以更加順暢的呼吸，同時排氣噪音會被很大程度降低。這樣，汽車的「性能」和安靜終於可以兼顧了。

BU 團隊中的放射學專業 Stephen Anderson 教授指出，另一個可以應用的工業領域是醫療機械。如果將超材料放到核磁共振器裡，能屏蔽掉成像過程產生的大部分噪音，給患者帶來更好的體驗。

在小規模的消費電子或手持設備上，這種超材料也有很大的用處。在美國不流行掃落葉，總是有人拿著吹葉機 （leaf blower） 到處吹來吹去製造噪音，來自發動機和出風管的各占一部分。如果把圓環放在吹葉機的出風管上，矽星人每週四早上就不會再被小區請的清潔工吵醒了……

BU 研究團隊還提了一個很有趣的使用場景：無人機。玩過的朋友應該知道無人機噪音是非常大的，主要由槳葉旋轉吹出的高速氣流導致。如果在每個螺旋槳下面都放一個圓環，理論上音波就被反射回天空了，在地面的人聽到的噪音會變小很多。

「我們現在可以利用數學設計一個物體，讓它阻擋任何聲音，」張鋅教授表示，她相信這種技術的應用潛力幾乎是無限的。

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