超材料在不阻礙空氣流動(dòng)的情況下阻擋噪音

波士頓大學(xué)開(kāi)發(fā)的新型聲學(xué)超材料可以阻擋94%的噪音，但仍允許空氣流動(dòng)。有時(shí)世界可能是一個(gè)嘈雜的地方，特別是在大城市，交通，汽車警報(bào)，過(guò)往噴氣機(jī)和城市生活的一般嗡嗡聲似乎震耳欲聾。雖然已經(jīng)存在一些淹沒(méi)或包含聲音的解決方案，但它們通常也會(huì)阻止氣流，這可能限制某些應(yīng)用，例如噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)。他們說(shuō)，現(xiàn)在波士頓大學(xué)的機(jī)械工程師開(kāi)發(fā)出一種新的超材料，可以阻擋94%的噪音，但仍允許空氣流動(dòng)，解決當(dāng)前噪音消除解決方案的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。

“[當(dāng)前]解決方案主要是基于管道的，并且往往具有較大的物理足跡，”負(fù)責(zé)該研究的工程學(xué)院的多學(xué)科教授張?chǎng)胃嬖V設(shè)計(jì)新聞。“在我們的工作中，我們?cè)O(shè)計(jì)了一種超開(kāi)式消聲器，可以在保持有效通風(fēng)的同時(shí)消除不需要的聲波。”張和研究生Reza Ghaffarivardavagh一起參與了這個(gè)項(xiàng)目，他們的靈感來(lái)自于他們自己在各個(gè)城市生活的經(jīng)驗(yàn)，以開(kāi)發(fā)超材料，并利用他們?cè)跀?shù)學(xué)方面的共同專業(yè)知識(shí)為他們的工作提供信息。

在新材料中 - 基本上是開(kāi)放的，環(huán)狀結(jié)構(gòu) - “消音器性能具有頻率選擇性和周期性，因此，可以作為一種有前途的解決方案，用于消除各種來(lái)源的音調(diào)機(jī)械噪聲，如風(fēng)扇噪音， “張說(shuō)。還有一個(gè)選項(xiàng)可以設(shè)計(jì)消音材料，“深亞波長(zhǎng)尺寸的磚或瓦片形式的靜音'墻'選擇性地消除不需要的聲音，”他說(shuō)。

研究人員說(shuō)，材料開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵在于它們本身不是一個(gè)屏障，而是一個(gè)開(kāi)放的管道，基于消除空氣中產(chǎn)生聲音的微小干擾。為了開(kāi)發(fā)超材料，研究人員計(jì)算了他們需要具有的尺寸和規(guī)格，以便干擾傳播的聲波，防止聲音 - 但不是空氣 - 通過(guò)開(kāi)放結(jié)構(gòu)輻射，張說(shuō)。他們的計(jì)算基于這樣一個(gè)前提：超材料需要以這樣的方式塑造，即它將傳入的聲音發(fā)送回它們來(lái)自的地方。

“在我們的研究中，重點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)消音，同時(shí)保留主導(dǎo)的中央開(kāi)口，即使在強(qiáng)制通風(fēng)的情況下也能確保性能，”他解釋說(shuō)。“值得注意的是，我們的結(jié)構(gòu)的靜音性能是窄帶和周期性的......但它是一種很有希望的音調(diào)噪聲抑制解決方案。”

為了測(cè)試他們的解決方案，研究人員創(chuàng)造了一種可以使揚(yáng)聲器聲音靜音的結(jié)構(gòu)。根據(jù)他們的計(jì)算，他們模擬了最有效地消除噪音的物理尺寸，并使用3D打印以塑料制成的開(kāi)放式降噪結(jié)構(gòu)的形式實(shí)現(xiàn)了這個(gè)模型。為了測(cè)試他們建造的效果，團(tuán)隊(duì)將揚(yáng)聲器密封到PVC管的一端，另一端將定制的聲學(xué)超材料固定在開(kāi)口中。

他們打開(kāi)揚(yáng)聲器發(fā)出高亢的音符;然而，超材料在管口內(nèi)部周圍響起，像一個(gè)靜音按鈕一樣工作。研究人員表示，當(dāng)其中一名研究人員將其釋放后，只有這樣，該團(tuán)隊(duì)才能聽(tīng)到發(fā)言人討厭的尖叫聲。研究人員發(fā)現(xiàn)，通過(guò)比較固定和不固定超材料的聲級(jí)，研究人員發(fā)現(xiàn)它們可以使靜音幾乎全部靜音 - 與噪聲完全相同，使揚(yáng)聲器發(fā)出的聲音不易被人耳發(fā)出。該團(tuán)隊(duì)在物理評(píng)論B期刊上發(fā)表了一篇關(guān)于他們工作的論文。

雖然目前的設(shè)計(jì)可以最好地用于取消具有“特征音調(diào)噪音的應(yīng)用，例如風(fēng)扇或恒定RPM轉(zhuǎn)子和螺旋槳”，張說(shuō)，工作本身可以擴(kuò)展到許多其他應(yīng)用程序，以阻止聲音“幾乎任何東西。”我們現(xiàn)在正致力于寬帶設(shè)計(jì)，以及可調(diào)模型，開(kāi)辟了新的可能性和應(yīng)用，”他告訴設(shè)計(jì)新聞。

Elizabeth Montalbano是一位自由撰稿人，撰寫了20多年的技術(shù)和文化。她曾在鳳凰城，舊金山和紐約市作為專業(yè)記者生活和工作。在空閑時(shí)間，她喜歡沖浪，旅游，音樂(lè)，瑜伽和烹飪。她目前居住在葡萄牙西南海岸的一個(gè)村莊。