麻省理工学院研究人员开发出一种利用振动抑制声音的丝织物

麻省理工学院的研究人员开发出一种丝织物，其厚度仅比人的头发丝粗一点，可以抑制不必要的噪音，减少噪音在大房间内的传播。 图片来源：麻省理工学院新闻；iStock

我们生活在一个充满持续噪音的世界里。 从外面车水马龙的嗡嗡声，到邻居大吵大闹的电视机声，再到同事隔间里的唠叨声，无休止的噪音一直是我们面临的挑战。

为了解决这个问题，麻省理工学院和其他机构的跨学科研究团队开发了一种创新的丝织物，旨在抑制声音，创造更安静的空间。

这种织物细如发丝，具有一种特殊的纤维，在施加电压时会产生振动。 研究人员利用这些振动以两种不同的方式抑制声音。

第一种方法是利用织物产生声波，干扰并消除不必要的噪音，就像降噪耳机一样。 不过，这种技术虽然在小范围内有效，但在房间或飞机等较大空间内却不太实用。

第二种更令人惊讶的技术是让织物保持静止，从而阻断声音传播的振动。 通过阻止声音的传播，这种织物可以显著降低较大区域的噪音，因此非常适合用于房间或车辆等空间。

织物可以通过产生声波来抑制声音，声波会干扰不想要的噪音，从而将其消除（如图 C 所示），或者通过静止不动来抑制振动，而振动是声音传播的关键（如图 D 所示）。 图片来源：研究人员提供

通过使用丝绸、帆布和薄纱等常见材料，研究人员创造出了可在现实空间中实际应用的噪音抑制织物。 例如，人们可以用这种织物来制作开放式工作空间的隔板或防止声音穿透的薄织物墙。

"噪音比安静更容易制造。 事实上，为了隔绝噪音，我们将大量空间用于建造厚墙。 "材料科学与工程系、电子工程与计算机科学系教授、电子研究实验室首席研究员、有关织物的论文的资深作者尤尔-芬克（Yoel Fink）说："[第一作者]格蕾丝的研究提供了一种用薄薄的织物创造安静空间的新机制。"

该研究的第一作者是 21 级 SM、24 级博士 Grace (Noel) Yang。 共同作者包括麻省理工学院研究生Taigyu Joo、Hyunhee Lee、Henry Cheung和Yongyi Zhao；麻省理工学院罗伯特-诺伊斯化学工程职业发展教授Zachary Smith；凯斯西储大学研究生Guanchun Rui和教授Lei Zhu；威斯康星大学麦迪逊分校研究生Jinuan Lin和助理教授Chu Ma；以及罗德岛设计学院研究生Latika Balachander。 有关这项研究的开放存取论文发表在《先进材料》上。

这种声音抑制丝绸是在该小组之前制造织物麦克风的基础上发展起来的。

在这项研究中，他们将单股压电纤维缝入织物中。 压电材料在受到挤压或弯曲时会产生电信号。 当附近的噪音引起织物振动时，压电纤维就会将这些振动转换成电信号，从而捕捉到声音。

在这项新研究中，研究人员颠覆了这一想法，创造出一种织物扬声器，可以用来抵消声波。

"虽然我们可以用织物来制造声音，但我们的世界已经有了太多的噪音。 我们认为，创造安静可能更有价值，"杨说。

向压电纤维施加电信号会使其振动，从而产生声音。 研究人员使用安装在圆形框架上的 130 微米长的丝绸薄片演奏了巴赫的《空气》，证明了这一点。

为了实现直接声音抑制，研究人员使用丝绸织物扬声器发射声波，对不需要的声波进行破坏性干扰。 他们控制压电纤维的振动，使织物发出的声波与撞击织物的不需要的声波相反，从而抵消噪音。然而，这种技术只能在小范围内有效。 因此，研究人员在这一想法的基础上，开发出一种利用织物振动来抑制更大范围（如卧室）内声音的技术。

假设你的隔壁邻居在半夜玩桌上足球。 你会在卧室里听到噪音，因为他们公寓里的声音会引起你们共用墙壁的振动，从而在你这边形成声波。为了抑制这种声音，研究人员可以将丝绸织物放在共用墙壁的你这一侧，控制纤维的振动，迫使织物保持静止。 这种以振动为媒介的抑制作用可以防止声音通过织物传播。

杨说："如果我们能控制这些振动并阻止它们发生，我们就能阻止产生噪音。"

令人惊讶的是，研究人员发现，保持织物静止会使声音被织物反射，从而使一块薄薄的丝绸像镜子反射光线一样反射声音。他们的实验还发现，织物的机械特性和毛孔大小都会影响发声效率。 虽然丝绸和薄纱具有相似的机械特性，但丝绸的孔隙更小，因此是更好的织物扬声器。但有效孔隙大小还取决于声波的频率。 杨说，如果频率足够低，即使是孔隙相对较大的织物也能有效发挥作用。

在测试丝绸织物的直接抑制模式时，研究人员发现它能显著降低声音的音量，最高可达 65 分贝（与人类热情交谈的声音差不多）。 在以振动为媒介的抑制模式下，丝织物可将声音传播降低 75%。

芬克说，这些成果的取得要归功于一群强大的合作者。 罗德岛设计学院的研究生帮助研究人员了解了织物的构造细节；威斯康星大学麦迪逊分校的科学家进行了模拟；凯斯西储大学的研究人员对材料进行了表征；麻省理工学院史密斯小组的化学工程师利用他们在气体膜分离方面的专业知识测量了穿过织物的气流。

展望未来，研究人员希望探索如何利用他们的织物阻隔多种频率的声音。 这可能需要复杂的信号处理和额外的电子设备。此外，他们还想进一步研究织物的结构，了解改变压电纤维的数量、缝合方向或施加的电压等因素如何能提高性能。

"我们可以转动很多旋钮，使这种消音织物真正有效。 我们希望让人们思考如何控制结构振动来抑制声音。 这仅仅是个开始，"杨说。

编译自/ScitechDaily