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!

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

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。

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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。

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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。

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

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。

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

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。

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「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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