张欣在《华尔街日报》“万物的未来”播客上说
《华尔街日报》播客探讨了最先进的降噪澳门威尼斯人注册网站研究。但是教授鑫张是接受采访的三位澳门威尼斯人注册网站研究人员之一。她讨论了实际应用和现实生活中的解决方案。
不再有噪音2：超材料可以让世界变得更安静
材料科学家们在寻求让我们日益嘈杂的世界安静下来的过程中变得越来越有创意。利用超材料——具有自然界中没有的特殊性能的人造材料——澳门威尼斯人注册网站研究人员很快就能减少或消除不必要的工业声音。
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珍妮特·巴宾：世界各地都有这样的声音。有点像这样。用传统的声学仪器很难探测到它，有些人感觉它比听到它更多。它可以发生在城市或乡村。这取决于你在世界上的哪个地方。一些人把它描述为低沉的隆隆声，另一些人称之为持续的嗡嗡声。但人们开始称这种声音为“嗡嗡声”。
特雷弗·考克斯：是的，我们有《The Hum》，《布里斯托尔之声》可能是最著名的一首，布里斯托尔是南部的一个城市，我就是在那里出生的。
珍妮特·巴宾：我是特雷弗·考克斯。他是曼彻斯特附近英国索尔福德大学的声学工程学教授。他从20世纪90年代开始澳门威尼斯人注册网站研究声学。他说，“嗡嗡声”有时会出现在低频，接近人类听觉的边缘。
特雷弗·考克斯：我经常收到很多人的电子邮件，他们说：“我有这种可怕的低频声音。你能帮我一下吗？”
珍妮特·巴宾：这些声音一旦你听到，人们通常会说它们几乎不可能听不见。澳门威尼斯人注册这些声音的来源有激烈的争论。考克斯教授猜测，这些问题的来源多种多样，其中许多都与21世纪的现实生活有关。
特雷弗·考克斯：一些天气事件会产生嗡嗡声，我们英国没有这样的极端天气。但是风力发电场，遥远的音爆，如果我们有飞行速度非常快的飞机，或者工业过程的开关，产生这种声音。是的，我们也有那些音效。
珍妮特·巴宾：《哼歌》的另一个令人困惑的怪癖是，并不是每个人都能听到它。
Trevor Cox：如果我们把几个人放在一个房间里，一个人可能会听到，另一个人可能听不到，因为我们对这些低频信号的敏感度似乎完全不同。如果我们遇到这样的情况，有人听到一些东西，他们的朋友说，“嗯，这不是问题。我什么也听不见。”然后你开始怀疑它是否真的存在。
珍妮特·巴宾：越来越多的澳门威尼斯人注册网站研究将身体对讨厌的噪音的反应与身体症状联系起来，比如高血压、心血管疾病，甚至精神疾病。这项澳门威尼斯人注册网站研究增加了对抗噪音污染的工作。这个问题引起了材料科学家和工程师的更多关注。他们已经开始使用新型物质，如元材料和纳米材料，从源头上解决不必要的声音。他们开始有成果了。
珍妮特·巴宾：来自《华尔街日报》，这里是《万物的未来》。我是珍妮特·巴宾。在今天的播客中，我们探索越来越嘈杂的世界的第二部分，以及让它变得更安静的新解决方案。
珍妮特·巴宾：澳门威尼斯人注册网站研究人员一直在思考如何减少噪音。在过去，隔音的方法是用厚重的隔音材料制造厚厚的隔音屏障，但这对于解决我们现代的一些噪音发射器是不切实际的。交通工具，机器，暖通空调系统，那种厚重的屏障对这些东西不起作用。阻挡声音的屏障通常也会阻止空气通过。世界需要找到一种方法来制造像空气一样轻的音障，而不是又厚又重。因此，澳门威尼斯人注册网站研究人员开始澳门威尼斯人注册网站研究替代材料，以寻求使声音消失。
方尼克：我是麻省理工学院的方尼克。我目前是一名机械工程教授，我们一直致力于利用纳米材料和结构捕捉光波和声波。
珍妮特·巴宾：尼克·方，现在在麻省理工学院，是定义声学工程前沿的澳门威尼斯人注册网站研究人员之一。早在2000年初，方在加州大学洛杉矶分校攻读机械工程博士学位。他和他的一个伙伴接受训练，要创造一种能让物体隐形的材料，就像隐形斗篷一样。是的，很像哈利波特。
尼克方：我们在隐形斗篷的概念和更基本的材料上进行了合作，这些材料可以带来透明度或光线折射的奇异效果。
珍妮特·巴宾：这听起来可能很疯狂，但你确实在现实生活中看到过。大自然有它自己制造隐形斗篷的方法。就像当你在远处的高速公路上看到一辆汽车时，有时汽车似乎漂浮在道路之上，就像海市蜃楼。
尼克方：这实际上是一个非常重要的经验，它向我们展示了光可以在弯曲的路径上弯曲。
珍妮特·巴宾：方说这种情况发生在地面很热，但空气很冷的时候。地面上的那一层是温暖的，它是如此温暖，以至于它可以弯曲或折射光线向上。
尼克·方：这是因为空气的折射率，由于受热，从底部到接近地面，再到表层，逐渐发生变化。
珍妮特·巴宾：看起来这些光来自地面。从合适的角度看，高速公路似乎消失了。
珍妮特·巴宾：为了获得博士学位，方正在澳门威尼斯人注册网站研究如何创造一种材料，在没有热量的情况下复制这种效果，一种使光线弯曲的方法，使材料下面的物体似乎消失了。2004年，方几乎完成了任务。学期就要结束了。他正在写论文。
方尼克：你可以想象这是春末夏初的时候。
珍妮特·巴宾：那是他最后一个学期的末尾。
方尼克：我厌倦了写论文。
珍妮特·巴宾：为了让头脑清醒，方去加州大学洛杉矶分校的罗伊斯音乐厅看俄勒冈州的管风琴独奏会。
方尼克：我自己去的。我只是想在校园里随便走走，放松一下。
珍妮特·巴宾：坐在剧院里，方有一个他所说的“尤里卡时刻”。
Nick Fang：是的，我们是在构思的时候产生了这种联系。
珍妮特·巴宾：他开始思考他一直在澳门威尼斯人注册网站研究的光粒子和他听到的声音之间的相似之处。
方尼克：我开始意识到对比光学材料和声学材料的美妙之处。乍一看，这只是我发现的数学之美，但后来我意识到，推动这两个领域发展的挑战和需求非常相似。
珍妮特·巴宾：方把他的想法告诉了他的实验室伙伴，但最初的反应有点平淡。该团队一直专注于光学，而不是声学，但方坚持不懈，最终他与人合作撰写了一篇论文，展示了隐形斗篷和声学斗篷原理之间的相似之处。他证明，就像你可以折射光一样，你也可以弯曲和聚焦声波，以规定的方式绕过物体。
Janet Babin: 2011年，他和一个团队成功地证明了这一概念。他们使用超声波或声纳来探测水箱中的一根钢棒，就像潜艇探测水中物体一样。然后他们用声学材料盖住它，就像一件斗篷。这种材料能够弯曲超声波的特定路径，这样它就不会从柱子上反弹，基本上使声纳看不见。
珍妮特·巴宾：现在方在麻省理工学院，他设计了一种轻质隔音材料，可以防止声音从源头逸出。这种材料看起来像一层薄薄的橡胶，就像一层薄膜。两片橡胶板或膜状物彼此之间悬着，形成一个网格，将橡胶板放在坚硬的蜂窝状结构的顶部，有点像瓦楞纸板，但非常薄。
尼克方：想象一下，现在我们可以在我们的表面涂上一层材料，这种层状材料可以定制，使表面附近的声速高于外层的声速。
珍妮特·巴宾：方说，当声波到达一个表面时，它的部分能量被反射回它的来源。有多少声音被反射取决于材料的硬度和密度。吸声材料很轻但很硬，所以它能反射空气中的噪音。
珍妮特·巴宾：在实验室里，用这种特殊材料折叠成一个10毫米厚的覆盖物，或者刚好超过八分之三英寸厚，方能够将扬声器的噪音降低35分贝。走在嘈杂的吸尘器旁边和走进图书馆安静的房间之间的区别。方想到了汽车噪音会带来的不同。从那以后，他就为这种材料申请了专利，现在正处于商业化的边缘。他正在与日产汽车公司合作，将隔音技术应用到汽车的发动机盖上，并将其作为发动机下面的隔音屏障。这一过程预计将在三到五年内完成。这将使人们在车里的生活更安静，以及人们走在外面。
Janet Babin：当Fang的技术走向商业化时，其他材料科学家已经在澳门威尼斯人注册网站研究下一代噪音控制。这是接下来的内容。
珍妮特·巴宾：尼克·方发明的隔音技术使用的人造材料具有自然界中不存在的特性。它们被称为超材料。
Steven Cummer：如果你问10个不同的人，什么是超材料，你可能会得到10个不同的答案。
Janet Babin: Steven Cummer博士是杜克大学电子和计算机工程教授。现在你可能知道，声音会从金属或玻璃等坚硬表面反弹，然后被木材或织物等较软的材料吸收。这是因为这些材料具有天然的细胞结构，但卡默说，超材料可以设计成这两种结构。
Steven Cummer：所以对我来说，超材料背后的想法是在材料中使用有意设计的结构来控制波在材料中的传播，无论是声学超材料中的声波还是光或无线电波的电磁特性。但这个想法并不是利用自然赋予你的材料特性来控制波的传播，而是在材料内部设计小规模的结构来给你新的、更好的、不同的特性。
珍妮特·巴宾：这些积木结构可能非常小，但对于声音控制来说，它们并没有你想象的那么小。
Steven Cummer：对于声波，比如音频，我们现在听到和用来交谈的频率，这些波的波长大约是几十厘米。所以小尺度结构的尺寸，所谓的小尺度，完全是宏观的，比如几毫米甚至一厘米。
珍妮特·巴宾：但是你必须明确你想要什么。卡默说，为了配置一个结构，使其与特定频率相互作用，澳门威尼斯人注册网站研究人员将花费数小时进行数值模拟。
史蒂文·卡默：一旦你有了想要构建的结构的想法，你就必须对其属性进行微调。网格大小是多少？它必须有多小？所有这些细节都会影响最终的属性。所以这个行业的每个人都做了大量的计算机建模来微调结构的特性，然后再进行实验。
Janet Babin: Cummer说，十年前，澳门威尼斯人注册网站研究人员非常专注于提供奇异的物理特性，该理论认为，如果你找到合适的构建模块，你可以在技术上实现这些物理特性。人们较少关注这些材料的特定用途。
Steven Cummer：我认为，现在这个领域更关注于寻找实际应用或实际设备，这些设备可以通过使用声学超材料来改进。
珍妮特·巴宾：这就是布朗博士的方法。鑫张的团队。她是波士顿大学工程学院的教授。这个团队带着一个明确的目标进行澳门威尼斯人注册网站研究。
张欣：我们能否在保持气流的同时使声波保持沉默，这个问题几十年来一直激励着澳门威尼斯人注册网站研究界。
珍妮特·巴宾：在很多情况下，使用隔音材料是不可能的，因为它会阻碍空气流动。我们没有想太多，但这是很明显的。充足的空气流量对机械系统至关重要。如果缺乏空气，部件可能会过热，它们可能会失效，效率低下，或者完全损坏。其中一些机器或应用程序会发出嗡嗡声，比如风力涡轮机、螺旋桨、发动机、冷却风扇、管道。因此，各种各样的机械应用都将受益于轻质、透明的隔音材料，它既能阻隔噪音，又能让空气自由流动。Zhang的团队就是这么做的。他们发明了一种隔音装置，张称其为超开放式消声器。它的形状像一个戒指。它的中心是完全开放的，就像一个甜甜圈。在实验室中，它能够阻挡94%的声能或来自扬声器的声波。张教授表示，该设备的尺寸是灵活的。同样，这是内部超材料的数学设计，使其具有隔音能力。
张欣：它的消声性能是由结构的形状决定的，而不是由构成材料决定的。
珍妮特·巴宾（Janet Babin）：这个结构由六个微小的螺旋形或螺旋形通道组成，围绕着一个中央门廊。杜克大学的卡默教授审查了这项工作，但没有参与其设计。
史蒂文·卡默：事实证明，当声音试图通过通道传播时，它会与你在旁边创造的那些空腔相互作用。有了这个，你就可以创建一个频率范围它不会通过那些开放的信道，而是被阻断了。
珍妮特·巴宾：声音在与那些开放的通道相互作用后就被取消了。在实验室里，张教授的团队将环形消声器连接到扬声器外部的管道上。声音从这里传来。这个。张说，消声器不仅在形状上是灵活的，而且在它可以停止的频率范围内也是灵活的。因此，它可以根据不同的尺寸、用途、音调和声音类型进行定制。
张欣：我们开发了低成本、可3D打印的声学超材料，能够在不阻碍气流的情况下消除特定频率的噪声。
珍妮特·巴宾：3D打印材料可以降低成本并易于扩展。张女士说，她还在接到公司澳门威尼斯人注册消音器的咨询。通过如此开放，消音器能够独特地解决许多先前迭代的噪音咨询师的一些关键问题。再一次，它们不允许重要的气流。
珍妮特·巴宾：当然，每一种声音，每一种噪音都有它自己的特征，它自己的频率，它可能需要自己的解决方案。因此，如果我们能够明确地识别它，那么嗡嗡声可能不得不被肢解。杜克大学的Cummer教授表示，超材料的大规模商业化可能会改变社会。根据市场澳门威尼斯人注册网站研究公司的一些估计，今年超材料市场的价值超过3亿美元。但澳门威尼斯人注册网站研究和开发也可能是一项艰巨的任务。
史蒂文·卡默：我从自己的澳门威尼斯人注册网站研究中了解到，当你想出这些新结构时，你可能需要制作10或20个版本才能得到一个有效的结构，因为所有这些细节。20分之一就可以发表科学论文了因为你的目标就是证明你能做到。但是，一旦你开始与一家公司交谈，你就需要能够做到20个中有20个。所以在设计和制造方面有大量的问题需要解决。
珍妮特·巴宾：尼克·方花了十多年的时间才把他的超材料从概念变成汽车。这并不是说所有的商业化项目都需要那么长的时间，但世界并没有变得更安静，新的声音，比如风力涡轮机的声音或送货无人机的嗡嗡声，可能会增加喧嚣。我们现在就更有理由开始为噪音的未来做计划了。
珍妮特·巴宾：《万物的未来》是《华尔街日报》的一部作品。Stefanie Ilgenfritz是the Future of Everything的编辑总监。利·坎平-卡德是《万物未来》的副主编。我们的事实核查员是麦迪·本德。感谢我们的实习生艾娃·萨萨尼。我们的声音设计师是Sarah Gibb Alaska。卡特里·约乔姆是《华尔街日报》的音频执行制片人。我是珍妮特·巴宾。谢谢你的聆听。
张教授是机械工程、电气与计算机工程、生物医学工程和材料科学与工程的教授