“超级材料”即透光又通风还能隔声 打败噪音很简单

2019-03-26 10:17 静之源官方
联合国估计到2050年全球70%左右的人口将居住在城市里。随之而来的,是城市污染问题的不断加重。城市污染的一个关键种类,就是噪声污染城市人口越多,意味着机动车、建筑工地,以及居民活动本身造成的声音越来越大,噪声污染越来越严重。
 
 
中国环境保护部从源头降低甚至消除噪声,将会是一项艰巨的工程。不过,降低这些噪声被人所感知到的强度,倒是一个非常值得研究的话题。
 
这不,来自波士顿大学 (Boston University) 工程系和医学院的四位科学家,最近就在这一领域取得了重大的进展。通过将数学与3D打印相结合,他们创造了一种圆环形状的新材料,实现了颠覆常识的结果:
可见光和空气能够不受干扰地穿过圆环,94%的声能 (acoustic energy) 却被消除了。也就是说,透过这个圆环,绝大部分的声音都被消音了!
 
大致工作原理
大家可能还记得中学物理课上学过的知识,声音的本质其实是传播介质振动所产生的波。既然如此,那么声波在理论上是可以被干扰、减弱甚至消除的,从而达到消音的效果。
团队成员之一,BU 研究助理 Reza Ghaffarivardavagh 指出,“声音其实是空气中非常细微的振动,因此我们的目标是消除掉这些振动。”
实际上,许许多多已有的材质都可以消除掉这些振动。比如玻璃可以减弱声音的传播,但它的问题是不透风;同理,一面水泥墙也可以在很大程度上隔音,但它不能透光。 BU 研究团队的目标,是创造出一种新的材料,既能透光,也能通风,还能减弱甚至完全消除声音。
 
人类已知的大自然当中,和人类能够生产的常规合成材料,目前都无法满足这一目标。于是,这就涉及到了团队成员之一,BU 机械工程系张锌教授的专业领域:超材料。
超材料 (metamaterial) 是由拉丁语词根“meta-”和材料 (material) 组成的一个合成词。它指的是自然界不存在的,拥有一些非自然性质的人造材料。
 
为什么超材料拥有这些“不可理喻”的能力?皆因它具有特殊的材质内部微结构,精密程度可能小于它所作用的波长(在本研究中就是声波)。因此,这种材料具有对声波施加影响的能力,可以削弱、折射,甚至大比例反射声波。
 
 
在这项研究中,BU 的科学家设计的正是下面这个看起来没什么玄妙之处的圆环。从图中你或许可以看到,在环状的内部,以及内环的表面上,都具有各不相同的特殊结构。而这些结构的规格,是由复杂的数学计算得出的。
 
理论上,这个声学超材料圆环能够把本来要穿过它的声波,朝着声源的方向“反弹”回去。
 
实研究者设计了这样一个实验环境(YouTube):用一个巨大的扬声器正对着一条 PVC 管播放高频噪音,把声学超材料圆环插入到 PVC 管的末端,然后测量收到的声波能量。
 
当圆环安装在管上时,实验者几乎听不到声音。透过空心,实验者却能看到扬声器表面上澎湃的震动。取下圆环后,刺耳的高频噪音立刻充满了整个房间。
圆环确实“反弹”了本应该穿过空心的绝大部分声波。实验数据显示,这块声学超材料圆环削弱了多达94%的声能,试验很成功。


  
 “我们在电脑上的建模一直是这样的结果,但是真的听到它的静音效果,完全是另一种震撼。”团队成员之一 Jacob Nikolajczyk 兴奋地表示。
 
下图中展示了不同频段声音被减弱的效果。图示(a) 是400Hz平面波,声能没有被降低太多;(b) 460Hz,因为类法诺共振效应,声能则被极大削弱了;(c) 则显示了不同频率声波(横轴)在不同开口性(也即开口面积占圆环横截面总面积的比例,纵轴)上的穿过表现,越蓝代表削弱越严重。
 
 
这项研究已经于今年一月发表在凝聚态物理的核心期刊 Physical Review B 上。
需要提及的是,这种声学超材料,可以进行微调从而针对不同频段的声音。但是因为开口结构,它无法屏蔽超低频以及次声频段(<20Hz),比如某些柴油发动机和特殊改装排气管发出的噪音。
不过,张锌教授也在 BU 文章的评论里提到,对于开口结构解决不了的次声噪音,可以用更经典的不开口、不透气结构来实现屏蔽。
 
应用场景:近乎无限
在本研究当中超材料本身的材质并不具备决定性。也就是说,如果3D打印机的打印精度达到要求,这种声学超材料并不限于现在的“塑料”,也可能是更坚硬的金属,或者其他更具韧性的材质。
而且最终成型的超材料单品,也不一定非得是圆环。它可以变成更长的管状,横截面的形状也可以改变——比如六边形。理论上,只需要对材料内部和表面材质进行一定程度的微调,就可以达到相似的效果。
这种声学超材料可以在不同的规模上使用。
 
如果我们构思大规模的使用场景,相信第一个想到的就是建筑外墙。比如机场和火车站航站楼这样的地方,此时如果超材料的横截面为六边形,就能派上很大用场了。
 
 
如图所示,这种超材料可以大量无缝堆叠,屏蔽交通工具产生的高噪音,顺便还能透光通风,在一定程度上兼具了玻璃窗和通风系统的作用,节能减排。
 
在中等规模上,汽油车等内燃式交通工具也有被这种超材料改造的潜力。目前汽车噪音主要来自鸣笛、马路噪音和排气,后者主要是在排气系统的尾段放置阻抗性的消音器。好处是声音降低了,不好的地方是阻碍了发动机的“呼吸”,并且消音器本身是损耗品。
而如果把圆环放置在排气系统里,意味着发动机可以更加顺畅的呼吸,同时排气噪音会被很大程度降低。这样,汽车的“性能”和安静终于可以兼顾了。
 
BU 团队中的放射学专业 Stephen Anderson 教授指出,另一个可以应用的工业领域是医疗机械。如果将超材料放到核磁共振器里,能屏蔽掉成像过程产生的大部分噪音,给患者带来更好的体验。
 
在小规模的消费电子或手持设备上,这种超材料也有很大的用处。在美国不流行扫落叶,总是有人拿着吹叶机 (leaf blower) 到处吹来吹去制造噪音,来自发动机和出风管的各占一部分。如果把圆环放在吹叶机的出风管上,硅星人每周四早上就不会再被小区请的清洁工吵醒了……
 
 
BU 研究团队还提了一个很有趣的使用场景:无人机。玩过的朋友应该知道无人机噪音是非常大的,主要由桨叶旋转吹出的高速气流导致。如果在每个螺旋桨下面都放一个圆环,理论上声波就被反射回天空了,在地面的人听到的噪音会变小很多。
我们现在可以利用数学设计一个物体,让它阻挡任何声音,”张锌教授表示,她相信这种技术的应用潜力几乎是无限的。