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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(diǎn)，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(lái)源：麻省理工學(xué)院新聞；iStock

我們生活在一個(gè)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(jī)聲，再到同事隔間里的嘮叨聲，無(wú)休止的噪音一直是我們面臨的挑戰(zhàn)。

為了解決這個(gè)問(wèn)題，麻省理工學(xué)院和其他機(jī)構(gòu)的跨學(xué)科研究團(tuán)隊(duì)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(xì)如發(fā)絲，具有一種特殊的纖維，在施加電壓時(shí)會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)。 研究人員利用這些振動(dòng)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(jī)一樣。 不過(guò)，這種技術(shù)雖然在小范圍內(nèi)有效，但在房間或飛機(jī)等較大空間內(nèi)卻不太實(shí)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(dòng)。 通過(guò)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(guò)產(chǎn)生聲波來(lái)抑制聲音，聲波會(huì)干擾不想要的噪音，從而將其消除（如圖 C 所示），或者通過(guò)靜止不動(dòng)來(lái)抑制振動(dòng)，而振動(dòng)是聲音傳播的關(guān)鍵（如圖 D 所示）。 圖片來(lái)源：研究人員提供

通過(guò)使用絲綢、帆布和薄紗等常見(jiàn)材料，研究人員創(chuàng)造出了可在現(xiàn)實(shí)空間中實(shí)際應(yīng)用的噪音抑制織物。 例如，人們可以用這種織物來(lái)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(shí)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(jì)算機(jī)科學(xué)系教授、電子研究實(shí)驗(yàn)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(shuō)："[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(jī)制。"

該研究的第一作者是 21 級(jí) SM、24 級(jí)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(chǔ)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(jì)學(xué)院研究生Latika Balachander。 有關(guān)這項(xiàng)研究的開放存取論文發(fā)表在《先進(jìn)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(lái)的。

在這項(xiàng)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(shí)會(huì)產(chǎn)生電信號(hào)。 當(dāng)附近的噪音引起織物振動(dòng)時(shí)，壓電纖維就會(huì)將這些振動(dòng)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，從而捕捉到聲音。

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

"雖然我們可以用織物來(lái)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(jià)值，"楊說(shuō)。

向壓電纖維施加電信號(hào)會(huì)使其振動(dòng)，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(zhǎng)的絲綢薄片演奏了巴赫的《空氣》，證明了這一點(diǎn)。

為了實(shí)現(xiàn)直接聲音抑制，研究人員使用絲綢織物揚(yáng)聲器發(fā)射聲波，對(duì)不需要的聲波進(jìn)行破壞性干擾。 他們控制壓電纖維的振動(dòng)，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(dòng)來(lái)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(huì)在臥室里聽到噪音，因?yàn)樗麄児⒗锏穆曇魰?huì)引起你們共用墻壁的振動(dòng)，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(dòng)，迫使織物保持靜止。 這種以振動(dòng)為媒介的抑制作用可以防止聲音通過(guò)織物傳播。

楊說(shuō)："如果我們能控制這些振動(dòng)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(huì)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(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)，織物的機(jī)械特性和毛孔大小都會(huì)影響發(fā)聲效率。 雖然絲綢和薄紗具有相似的機(jī)械特性，但絲綢的孔隙更小，因此是更好的織物揚(yáng)聲器。但有效孔隙大小還取決于聲波的頻率。 楊說(shuō)，如果頻率足夠低，即使是孔隙相對(duì)較大的織物也能有效發(fā)揮作用。

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

芬克說(shuō)，這些成果的取得要?dú)w功于一群強(qiáng)大的合作者。 羅德島設(shè)計(jì)學(xué)院的研究生幫助研究人員了解了織物的構(gòu)造細(xì)節(jié)；威斯康星大學(xué)麥迪遜分校的科學(xué)家進(jìn)行了模擬；凱斯西儲(chǔ)大學(xué)的研究人員對(duì)材料進(jìn)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?cè)跉怏w膜分離方面的專業(yè)知識(shí)測(cè)量了穿過(guò)織物的氣流。

展望未來(lái)，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(hào)處理和額外的電子設(shè)備。此外，他們還想進(jìn)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(dòng)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(dòng)來(lái)抑制聲音。 這僅僅是個(gè)開始，"楊說(shuō)。

編譯自/ScitechDaily