麻省理工學院（MIT）的研究人員開發出一種利用振動抑制聲音的絲織物，提供了兩種技術：透過干擾消除噪音和防止噪音傳播。這種創新材料可以將嘈雜的環境轉變為寧靜的空間，因此非常適合用於汽車、房間和開放式工作空間。
麻省理工學院的研究人員開發出一種絲織物，其厚度僅比人的頭髮絲粗一點，可以抑制不必要的噪音，減少噪音在大房間內的傳播。 圖片來源：麻省理工學院新聞；iStock
我們生活在一個充滿持續噪音的世界裡。 從外面車水馬龍的嗡嗡聲，到鄰居大吵大鬧的電視機聲，再到同事隔間裡的嘮叨聲，無休止的噪音一直是我們面臨的挑戰。
為了解決這個問題，麻省理工學院和其他機構的跨學科研究團隊開發了一種創新的絲織物，旨在抑制聲音，創造更安靜的空間。
這種織物細如髮絲，具有一種特殊的纖維，在施加電壓時會產生振動。 研究人員利用這些振動以兩種不同的方式抑制聲音。
第一種方法是利用織物產生聲波，干擾並消除不必要的噪音，就像降噪耳機一樣。 不過，這種技術雖然在小範圍內有效，但在房間或飛機等較大空間內卻不太實用。
第二種更令人驚訝的技術是讓織物保持靜止，從而阻斷聲音傳播的振動。 透過阻止聲音的傳播，這種織物可以顯著降低較大區域的噪音，因此非常適合用於房間或車輛等空間。
織物可以透過產生聲波來抑制聲音，聲波會干擾不想要的噪音，從而將其消除（如圖 C 所示），或者透過靜止不動來抑制振動，而振動是聲音傳播的關鍵（如圖 D 所示）。 圖片來源：研究人員提供
透過使用絲綢、帆布和薄紗等常見材料，研究人員創造出了可在現實空間中實際應用的噪音抑制織物。 例如，人們可以用這種織物來製作開放式工作空間的隔板或防止聲音穿透的薄織物牆。
"噪音比安靜更容易製造。 事實上，為了隔絕噪音，我們將大量空間用於建造厚牆。 "材料科學與工程系、電子工程與計算機科學系教授、電子研究實驗室首席研究員、有關織物的論文的資深作者尤爾-芬克（Yoel Fink）說："[第一作者]格蕾絲的研究提供了一種用薄薄的織物創造安靜空間的新機制。"
該研究的第一作者是 21 級 SM、24 級博士 Grace (Noel) Yang。 共同作者包括麻省理工學院研究生Taigyu Joo、Hyunhee Lee、Henry Cheung和Yongyi Zhao；麻省理工學院羅伯特-諾伊斯化學工程職業發展教授Zachary Smith；凱斯西儲大學研究生Guanchun Rui和教授Lei Zhu；威斯康星大學麥迪遜分校研究生Jinuan Lin和助理教授Chu Ma；以及羅德島設計學院研究生Latika Balachander。 有關這項研究的開放存取論文發表在《先進材料》上。
這種聲音抑制絲綢是在該小組之前製造織物麥克風的基礎上發展起來的。
在這項研究中，他們將單股壓電纖維縫入織物中。 壓電材料在受到擠壓或彎曲時會產生電訊號。 當附近的噪音引起織物振動時，壓電纖維就會將這些振動轉換成電訊號，從而捕捉到聲音。
在這項新研究中，研究人員顛覆了這一想法，創造出一種織物揚聲器，可以用來抵消聲波。
"雖然我們可以用織物來製造聲音，但我們的世界已經有了太多的噪音。 我們認為，創造安靜可能更有價值，"楊說。
向壓電纖維施加電訊號會使其振動，從而產生聲音。 研究人員使用安裝在圓形框架上的 130 微米長的絲綢薄片演奏了巴赫的《空氣》，證明了這一點。
為了實現直接聲音抑制，研究人員使用絲綢織物揚聲器發射聲波，對不需要的聲波進行破壞性干擾。 他們控制壓電纖維的振動，使織物發出的聲波與撞擊織物的不需要的聲波相反，從而抵消噪音。然而，這種技術只能在小範圍內有效。 因此，研究人員在這一想法的基礎上，開發出一種利用織物振動來抑制更大範圍（如臥室）內聲音的技術。
假設你的隔壁鄰居在半夜玩桌上足球。 你會在臥室裡聽到噪音，因為他們公寓裡的聲音會引起你們共用牆壁的振動，從而在你這邊形成聲波。為了抑制這種聲音，研究人員可以將絲綢織物放在共用牆壁的你這一側，控制纖維的振動，迫使織物保持靜止。 這種以振動為媒介的抑制作用可以防止聲音透過織物傳播。
楊說："如果我們能控制這些振動並阻止它們發生，我們就能阻止產生噪音。"
令人驚訝的是，研究人員發現，保持織物靜止會使聲音被織物反射，從而使一塊薄薄的絲綢像鏡子反射光線一樣反射聲音。他們的實驗還發現，織物的機械特性和毛孔大小都會影響發聲效率。 雖然絲綢和薄紗具有相似的機械特性，但絲綢的孔隙更小，因此是更好的織物揚聲器。但有效孔隙大小還取決於聲波的頻率。 楊說，如果頻率足夠低，即使是孔隙相對較大的織物也能有效發揮作用。
在測試絲綢織物的直接抑制模式時，研究人員發現它能顯著降低聲音的音量，最高可達 65 分貝（與人類熱情交談的聲音差不多）。 在以振動為媒介的抑制模式下，絲織物可將聲音傳播降低 75%。
芬克說，這些成果的取得要歸功於一群強大的合作者。 羅德島設計學院的研究生幫助研究人員瞭解了織物的構造細節；威斯康星大學麥迪遜分校的科學家進行了模擬；凱斯西儲大學的研究人員對材料進行了表徵；麻省理工學院史密斯小組的化學工程師利用他們在氣體膜分離方面的專業知識測量了穿過織物的氣流。
展望未來，研究人員希望探索如何利用他們的織物阻隔多種頻率的聲音。 這可能需要複雜的訊號處理和額外的電子裝置。此外，他們還想進一步研究織物的結構，瞭解改變壓電纖維的數量、縫合方向或施加的電壓等因素如何能提高效能。
"我們可以轉動很多旋鈕，使這種消音織物真正有效。 我們希望讓人們思考如何控制結構振動來抑制聲音。 這僅僅是個開始，"楊說。
編譯自/ScitechDaily
