我們生活在一個(gè)非常嘈雜的世界。從窗外車輛的嗡嗡聲，到隔壁鄰居電視的嘈雜聲，再到同事隔間的聲音，討厭的噪音仍然是一個(gè)嚴(yán)重的問(wèn)題。

為了消除噪音，麻省理工學(xué)院和其他地方的研究人員進(jìn)行了跨學(xué)科合作，開發(fā)了一種消音絲綢織物，可以用來(lái)創(chuàng)造安靜的空間。

這種織物僅比人的頭發(fā)厚一點(diǎn)，它含有一種特殊的纖維，當(dāng)施加電壓時(shí)它會(huì)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。

其中一種是，振動(dòng)的織物產(chǎn)生聲波，干擾不必要的噪音，從而消除它，類似于降噪耳機(jī)，它在耳朵這樣的小空間里工作得很好，但在房間或飛機(jī)這樣的大空間里就不起作用了。

在另一項(xiàng)更令人驚訝的技術(shù)中，織物被靜止以抑制振動(dòng)，而振動(dòng)是聲音傳播的關(guān)鍵。這可以防止噪音通過(guò)織物傳播，并使音量降低。第二種方法允許在更大的空間，如房間或汽車中減少噪音。

通過(guò)使用絲綢、帆布和平紋棉布等常見材料，研究人員創(chuàng)造了一種可以在現(xiàn)實(shí)世界中應(yīng)用的降噪織物。例如，人們可以使用這種織物在開放的工作空間或薄織物墻中制作隔板，以防止聲音通過(guò)。

“制造噪音比制造安靜容易得多。事實(shí)上，為了防止噪音，我們?cè)诤窈竦膲Ρ谏狭舫隽撕芏嗫臻g。[第一作者]格蕾絲的工作提供了一種用薄織物創(chuàng)造安靜空間的新機(jī)制，”材料科學(xué)與工程系、電子工程與計(jì)算機(jī)科學(xué)系教授約爾·芬克說(shuō)，他是電子學(xué)研究實(shí)驗(yàn)室的首席研究員，也是一篇關(guān)于織物的論文的高級(jí)作者。

該研究的主要作者是Grace (Noel) Yang SM '21, PhD '24。合著者包括麻省理工學(xué)院的研究生Taigyu Joo, Hyunhee Lee, Henry Cheung和Yongyi Zhao;Zachary Smith，麻省理工學(xué)院Robert N. Noyce化學(xué)工程職業(yè)發(fā)展教授;凱斯西大學(xué)研究生芮冠春、朱磊教授;美國(guó)威斯康辛大學(xué)麥迪遜分校研究生林濟(jì)安、助理教授馬楚;以及羅德島設(shè)計(jì)學(xué)院的研究生拉蒂卡·巴拉錢德爾(Latika Balachander)。關(guān)于這項(xiàng)研究的一篇開放獲取論文最近發(fā)表在《先進(jìn)材料》雜志上。

柔滑的沉默

這種抑制聲音的絲綢是該小組之前制造織物麥克風(fēng)的工作的基礎(chǔ)。

在這項(xiàng)研究中，他們將一股壓電纖維縫進(jìn)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)，壓電纖維將這些振動(dòng)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，從而可以捕獲聲音。

在這項(xiàng)新研究中，研究人員顛覆了這個(gè)想法，創(chuàng)造了一種可以用來(lái)抵消聲波的織物揚(yáng)聲器。

“雖然我們可以用織物來(lái)制造聲音，但我們的世界已經(jīng)有太多的噪音了。我們認(rèn)為創(chuàng)造沉默可能更有價(jià)值?！?/p>

對(duì)壓電纖維施加電信號(hào)使其振動(dòng)，從而產(chǎn)生聲音。研究人員通過(guò)在圓形框架上安裝130微米的絲綢片來(lái)演奏巴赫的“空氣”來(lái)證明這一點(diǎn)。

為了實(shí)現(xiàn)直接的聲音抑制，研究人員使用絲綢織物揚(yáng)聲器發(fā)出聲波，對(duì)不需要的聲波進(jìn)行破壞性干擾。它們控制壓電纖維的振動(dòng)，這樣織物發(fā)出的聲波就會(huì)與不需要的聲波相反，從而抵消噪音。

然而，這種技術(shù)只在小范圍內(nèi)有效。因此，研究人員基于這個(gè)想法開發(fā)了一種技術(shù)，利用織物振動(dòng)來(lái)抑制更大區(qū)域(如臥室)的聲音。

假設(shè)你的鄰居在半夜玩桌上足球。你在臥室里聽到噪音是因?yàn)樗麄児⒗锏穆曇粢鹉銈児灿玫膲φ駝?dòng)，從而在你這邊形成聲波。

為了抑制這種聲音，研究人員可以把絲綢織物放在共用墻的一側(cè)，控制纖維中的振動(dòng)，迫使織物保持靜止。這種以振動(dòng)為媒介的抑制可以防止聲音通過(guò)織物傳播。

“如果我們能夠控制這些振動(dòng)并阻止它們的發(fā)生，我們也可以阻止產(chǎn)生的噪音，”楊說(shuō)。

聲音的鏡子

令人驚訝的是，研究人員發(fā)現(xiàn)，拿著織物仍然會(huì)使聲音被織物反射，從而形成一片薄絲綢，像鏡子反射光線一樣反射聲音。

他們的實(shí)驗(yàn)還表明，織物的機(jī)械性能和孔隙的大小都會(huì)影響聲音的產(chǎn)生效率。雖然絲綢和細(xì)布具有相似的機(jī)械性能，但絲綢較小的孔隙尺寸使其成為更好的織物揚(yáng)聲器。

但有效孔徑也取決于聲波的頻率。楊說(shuō)，如果頻率足夠低，即使是毛孔相對(duì)較大的織物也能有效地發(fā)揮作用。

當(dāng)他們?cè)谥苯右种颇Ｊ较聹y(cè)試絲綢織物時(shí)，研究人員發(fā)現(xiàn)它可以顯著減少高達(dá)65分貝的聲音(大約和人類熱情的談話一樣大)。在以振動(dòng)為媒介的抑制模式下，這種織物可以減少75%的聲音傳播。

芬克說(shuō)，這些結(jié)果只有在一群強(qiáng)有力的合作者的幫助下才有可能實(shí)現(xiàn)。羅德島設(shè)計(jì)學(xué)院的研究生幫助研究人員了解構(gòu)造織物的細(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)院史密斯集團(tuán)的化學(xué)工程師利用他們?cè)跉饽し蛛x方面的專業(yè)知識(shí)來(lái)測(cè)量通過(guò)織物的氣流。

展望未來(lái)，研究人員希望探索使用他們的織物來(lái)阻擋多頻率的聲音。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)一步研究這種織物的結(jié)構(gòu)，看看改變壓電纖維的數(shù)量、縫紉方向或施加的電壓等因素是如何提高性能的。

“我們可以通過(guò)很多方法使這種消音織物真正有效。我們想讓人們考慮控制結(jié)構(gòu)振動(dòng)來(lái)抑制聲音。這僅僅是個(gè)開始?！?/p>

這項(xiàng)工作部分由國(guó)家科學(xué)基金會(huì)(NSF)、陸軍研究辦公室(ARO)、國(guó)防威脅減少機(jī)構(gòu)(DTRA)和威斯康星校友研究基金會(huì)資助。