让世界更安静
波士顿大学的工程师们开发了一种“声学超材料”，可以消除94%的声音
波士顿大学的工程师们发明了一种合成的消声结构——声学超材料，它可以阻挡94%的声音。Reza Ghaffarivardavagh（英）（前中）在他的耳朵上拿着两个开放的环状结构，Stephan Anderson (MED)（左），Xin Zhang（英）（后中）和Jacob Nikolajczyk（英）（右）在拍。西德尼·斯科特摄
如果可以的话，你会把什么声音静音？波士顿大学（Boston University）的两位工程师正在提出这个问题，因为无人机螺旋桨、飞机涡轮机、核磁共振成像仪和城市噪音污染的噪音越来越大。
Reza Ghaffarivardavagh说：“今天的音障实际上是厚厚的墙壁。虽然被称为“隔音屏障”的隔音屏障可以帮助淹没高峰时段交通的呼啸声，或者在音乐厅的墙壁上容纳音乐的交响乐，但它们是一种笨拙的方法，不太适合气流也很重要的情况。想象一下，把喷气发动机的排气口堵住，飞机就永远不会离开地面了。相反，停机坪上的澳门威尼斯人注册戴上耳塞，以保护他们的听力免受震耳欲聋的轰鸣声的影响。
张欣和Ghaffarivardavagh被一个诱人的问题所吸引：“我们能设计一种既能阻挡噪音又能保持空气流通的结构吗？”
凭借他们的数学能力和3D打印技术，事实证明他们可以做到。在2019年1月发表在《物理评论》（Physical Review）上的一篇论文中，澳门威尼斯人注册网站研究人员认为，使用一个开放的环状结构来消除噪音是很有可能的，这种结构是按照数学上完美的规格设计的，可以在保持气流的同时切断声音。
数字及噪音控制
“我一直对声学很感兴趣，”Ghaffarivardavagh说，他在伊朗德黑兰谢里夫理工大学（Sharif University of Technology）完成了机械工程学士学位，然后来到波士顿大学（Boston University）读澳门威尼斯人注册网站研究生。现在，在张的实验室里，他即将完成他的博士学位。“我喜欢做一些我能听到或看到结果的事情。我可以对我们现在面临的问题产生影响。”
在来波士顿之前，张和加法里瓦达瓦曾在其他大城市生活过，他们总是惊叹于周围层叠的城市声景。在波士顿，从头顶飞过的飞机、街道上汽车、卡车和公共汽车的引擎和喇叭声、MBTA有轨电车的隆隆声和刺耳声，以及建筑设备和电源的嗡嗡声，都把城市的嘈杂声混杂在一起。
他们说，城市生活太吵了，你必须想办法创造安静的时刻。
这让他们想到了一个声音挡板，它根本不是一个屏障，而是一个开放的管道。这样的壮举只有通过开发一种具有不寻常和非自然特性的材料（称为超材料）才能实现，在这种情况下，这种材料能够对声音产生孤立的影响——一种声学超材料。
“十多年来，我一直在澳门威尼斯人注册网站研究超材料，”工程学院和光子学中心的多学科教授张说。“但正是雷扎逐渐让我对声学和超材料之间的结合这一基本理念更感兴趣。如果你问我和我的同事，声学超材料是一个相对年轻的方向....这是未来。”
静音键，化身
Ghaffarivardavagh和Zhang让数学——一种共同的激情，鼓舞了他们的工程事业，使他们成为非常合适的澳门威尼斯人注册网站研究伙伴——引导他们朝着声学超材料的可行设计方向发展。
“声音是由空气中非常微小的扰动产生的。所以，我们的目标是抑制这些微小的振动，”Ghaffarivardavagh和Zhang说。“如果我们希望建筑内部是露天的，那么我们必须记住，这将是声音传播的途径。”
他们计算了超材料的尺寸和规格，以干扰传播的声波，阻止声音（而不是空气）通过开放结构辐射。他们说，基本的前提是，这种超材料需要被塑造成这样一种方式，即它能将传入的声音发送回它们的来源。
在管道的一端，一个扬声器发出声音。在另一端，只要安装到位，开放的消声超材料就会重新引导声音。视频由张实验室提供
作为测试案例，他们决定创造一种可以使扬声器静音的结构。根据他们的计算，他们模拟了最有效地消除噪音的物理尺寸。将这些模型变为现实，他们使用3D打印技术将一个由塑料制成的开放式降噪结构物质化。
在实验室进行试验时，澳门威尼斯人注册网站研究人员将扬声器密封在PVC管的一端。另一端，特制的声学超材料被固定在开口中。按下播放键，实验室里的实验扬声器装置就安静地启动了。站在房间里，单凭你的听觉，你永远不会知道扬声器正在播放一个令人恼火的高音。然而，如果你往PVC管里看，你会看到扬声器的低音炮在砰砰作响。
这种超材料环绕着管子口的内部圆周，就像一个静音按钮的化身，直到Ghaffarivardavagh伸手把它拉出来的那一刻。实验室里突然响起了喇叭里刺耳的声音。
Jacob Nikolajczyk说：“我们第一次放置和移除消音器的那一刻……简直是白天和黑夜。”Jacob Nikolajczyk除了是澳门威尼斯人注册网站研究的合著者和张实验室的前本科生澳门威尼斯人注册网站研究员之外，还是一位充满激情的声乐表演者。“几个月来，我们一直在电脑模拟中看到这些结果，但在电脑上看到模拟的声压级是一回事，而亲自听到它的影响是另一回事。”
通过比较有和没有固定超材料的声音水平，澳门威尼斯人注册网站研究小组发现，他们可以消除几乎所有的噪音——确切地说，是94%——使人耳听不到扬声器发出的声音。
一个更安静的世界
现在他们的原型被证明是如此有效，澳门威尼斯人注册网站研究人员对他们的消声超材料如何使现实世界更安静有了一些大想法。
“无人机是一个非常热门的话题，”张说。她说，像亚马逊这样的公司对使用无人机送货很感兴趣，“人们在抱怨潜在的噪音。”
“罪魁祸首是向上移动的风扇运动，”Ghaffarivardavagh说。“如果我们能在无人机风扇下面放置消音的开放式结构，我们就能抵消向地面辐射的声音。”
在离家或办公室更近的地方，风扇和暖通空调系统可以受益于声学超材料，它们既静音，又能使冷热空气不受阻碍地在建筑物内流通。
Ghaffarivardavagh和Zhang还指出，目前用于减少交通噪音污染的隔音屏障不美观，并为美学升级提供了空间。“我们的结构超轻、开放、美观。他们说：“每一块都可以用作瓷砖或砖块，扩大规模，建造一堵隔音、透水的墙。”
Ghaffarivardavagh说，基于他们的方法，消声超材料的形状也是完全可定制的。为了发挥作用，外部部分不需要是圆形的环形。
“我们可以把外部形状设计成立方体或六边形，任何形状，”他说。“当我们想要建造一堵墙时，我们会采用六角形”，它可以像露天蜂巢结构一样组合在一起。
这样的墙壁可以帮助控制多种类型的噪音。张说，即使是那些来自核磁共振成像仪强烈振动的人。
波士顿大学医学院放射学教授、该澳门威尼斯人注册网站研究的合著者之一斯蒂芬·安德森（Stephan Anderson）表示，这种声学超材料有可能被缩小，“装入核磁共振成象机的中心孔中”，在成像过程中屏蔽病人的声音。
张说，可能性是无限的，因为这种降噪方法可以定制，几乎适用于任何环境：“我们现在可以用数学方法设计一个物体，可以阻挡任何声音，”她说。
这项工作得到了波士顿大学的支持MSE创新补助金以及院长催化剂奖。
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