新材料：麻省理工學(xué)院研究人員開發(fā)出一種利用振動抑制聲音的絲織物

　　麻省理工學(xué)院的研究人員開發(fā)出一種絲織物，其厚度僅比人的頭發(fā)絲粗一點，可以抑制不必要的噪音，減少噪音在大房間內(nèi)的傳播。 圖片來源：麻省理工學(xué)院新聞;iStock

　　我們生活在一個充滿持續(xù)噪音的世界里。 從外面車水馬龍的嗡嗡聲，到鄰居大吵大鬧的電視機聲，再到同事隔間里的嘮叨聲，無休止的噪音一直是我們面臨的挑戰(zhàn)。

　　為了解決這個問題，麻省理工學(xué)院和其他機構(gòu)的跨學(xué)科研究團隊開發(fā)了一種創(chuàng)新的絲織物，旨在抑制聲音，創(chuàng)造更安靜的空間。

　　這種織物細如發(fā)絲，具有一種特殊的纖維，在施加電壓時會產(chǎn)生振動。 研究人員利用這些振動以兩種不同的方式抑制聲音。

　　第一種方法是利用織物產(chǎn)生聲波，干擾并消除不必要的噪音，就像降噪耳機一樣。 不過，這種技術(shù)雖然在小范圍內(nèi)有效，但在房間或飛機等較大空間內(nèi)卻不太實用。

　　第二種更令人驚訝的技術(shù)是讓織物保持靜止，從而阻斷聲音傳播的振動。 通過阻止聲音的傳播，這種織物可以顯著降低較大區(qū)域的噪音，因此非常適合用于房間或車輛等空間。

　　織物可以通過產(chǎn)生聲波來抑制聲音，聲波會干擾不想要的噪音，從而將其消除(如圖 C 所示)，或者通過靜止不動來抑制振動，而振動是聲音傳播的關(guān)鍵(如圖 D 所示)。 圖片來源：研究人員提供

　　通過使用絲綢、帆布和薄紗等常見材料，研究人員創(chuàng)造出了可在現(xiàn)實空間中實際應(yīng)用的噪音抑制織物。 例如，人們可以用這種織物來制作開放式工作空間的隔板或防止聲音穿透的薄織物墻。

　　“噪音比安靜更容易制造。 事實上，為了隔絕噪音，我們將大量空間用于建造厚墻。 “材料科學(xué)與工程系、電子工程與計算機科學(xué)系教授、電子研究實驗室首席研究員、有關(guān)織物的論文的資深作者尤爾-芬克(Yoel Fink)說：”[第一作者]格蕾絲的研究提供了一種用薄薄的織物創(chuàng)造安靜空間的新機制。”

　　該研究的第一作者是 21 級 SM、24 級博士 Grace (Noel) Yang。 共同作者包括麻省理工學(xué)院研究生Taigyu Joo、Hyunhee Lee、Henry Cheung和Yongyi Zhao;麻省理工學(xué)院羅伯特-諾伊斯化學(xué)工程職業(yè)發(fā)展教授Zachary Smith;凱斯西儲大學(xué)研究生Guanchun Rui和教授Lei Zhu;威斯康星大學(xué)麥迪遜分校研究生Jinuan Lin和助理教授Chu Ma;以及羅德島設(shè)計學(xué)院研究生Latika Balachander。 有關(guān)這項研究的開放存取論文發(fā)表在《先進材料》上。

　　這種聲音抑制絲綢是在該小組之前制造織物麥克風(fēng)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。

　　在這項研究中，他們將單股壓電纖維縫入織物中。 壓電材料在受到擠壓或彎曲時會產(chǎn)生電信號。 當(dāng)附近的噪音引起織物振動時，壓電纖維就會將這些振動轉(zhuǎn)換成電信號，從而捕捉到聲音。

　　在這項新研究中，研究人員顛覆了這一想法，創(chuàng)造出一種織物揚聲器，可以用來抵消聲波。

　　“雖然我們可以用織物來制造聲音，但我們的世界已經(jīng)有了太多的噪音。 我們認(rèn)為，創(chuàng)造安靜可能更有價值，”楊說。

　　向壓電纖維施加電信號會使其振動，從而產(chǎn)生聲音。 研究人員使用安裝在圓形框架上的 130 微米長的絲綢薄片演奏了巴赫的《空氣》，證明了這一點。

　　為了實現(xiàn)直接聲音抑制，研究人員使用絲綢織物揚聲器發(fā)射聲波，對不需要的聲波進行破壞性干擾。 他們控制壓電纖維的振動，使織物發(fā)出的聲波與撞擊織物的不需要的聲波相反，從而抵消噪音。然而，這種技術(shù)只能在小范圍內(nèi)有效。 因此，研究人員在這一想法的基礎(chǔ)上，開發(fā)出一種利用織物振動來抑制更大范圍(如臥室)內(nèi)聲音的技術(shù)。

　　假設(shè)你的隔壁鄰居在半夜玩桌上足球。 你會在臥室里聽到噪音，因為他們公寓里的聲音會引起你們共用墻壁的振動，從而在你這邊形成聲波。為了抑制這種聲音，研究人員可以將絲綢織物放在共用墻壁的你這一側(cè)，控制纖維的振動，迫使織物保持靜止。 這種以振動為媒介的抑制作用可以防止聲音通過織物傳播。

　　楊說：”如果我們能控制這些振動并阻止它們發(fā)生，我們就能阻止產(chǎn)生噪音。”

　　令人驚訝的是，研究人員發(fā)現(xiàn)，保持織物靜止會使聲音被織物反射，從而使一塊薄薄的絲綢像鏡子反射光線一樣反射聲音。他們的實驗還發(fā)現(xiàn)，織物的機械特性和毛孔大小都會影響發(fā)聲效率。 雖然絲綢和薄紗具有相似的機械特性，但絲綢的孔隙更小，因此是更好的織物揚聲器。但有效孔隙大小還取決于聲波的頻率。 楊說，如果頻率足夠低，即使是孔隙相對較大的織物也能有效發(fā)揮作用。

　　在測試絲綢織物的直接抑制模式時，研究人員發(fā)現(xiàn)它能顯著降低聲音的音量，最高可達 65 分貝(與人類熱情交談的聲音差不多)。 在以振動為媒介的抑制模式下，絲織物可將聲音傳播降低 75%。

　　芬克說，這些成果的取得要歸功于一群強大的合作者。 羅德島設(shè)計學(xué)院的研究生幫助研究人員了解了織物的構(gòu)造細節(jié);威斯康星大學(xué)麥迪遜分校的科學(xué)家進行了模擬;凱斯西儲大學(xué)的研究人員對材料進行了表征;麻省理工學(xué)院史密斯小組的化學(xué)工程師利用他們在氣體膜分離方面的專業(yè)知識測量了穿過織物的氣流。

　　展望未來，研究人員希望探索如何利用他們的織物阻隔多種頻率的聲音。 這可能需要復(fù)雜的信號處理和額外的電子設(shè)備。此外，他們還想進一步研究織物的結(jié)構(gòu)，了解改變壓電纖維的數(shù)量、縫合方向或施加的電壓等因素如何能提高性能。

　　“我們可以轉(zhuǎn)動很多旋鈕，使這種消音織物真正有效。 我們希望讓人們思考如何控制結(jié)構(gòu)振動來抑制聲音。 這僅僅是個開始，”楊說。