这种减音丝绸可以创造安静空间

《这种消音丝绸可以创造宁静空间》

我们生活在一个非常嘈杂的世界里。从窗外车辆的嗡嗡声到邻居家大声播放的电视声音，再到同事隔间中传来的噪音，不受欢迎的噪音问题一直存在。

为了穿透这些喧嚣，麻省理工学院和其他地方的跨学科研究人员合作开发了一种消音丝绸面料，可用于创造安静的空间。

这种面料几乎比人类头发还要薄，其中含有一种特殊纤维，施加电压时会振动。研究人员利用这些振动以两种不同的方式压制声音。

首先，振动的面料产生干扰不受欢迎的噪音的声波，类似于降噪耳机，后者在小空间内如耳朵内效果良好，但在房间或飞机等大型封闭空间中效果不佳。

其次，更令人惊讶的技术是，保持这种面料静止可以抑制传播声音的振动。这样可以阻止噪音通过面料传播，并将音量降低至以下。这种第二种方法允许在房间或汽车等更大空间中实现降噪。

通过使用丝绸、帆布和粗棉等常见材料，研究人员创建了噪音抑制面料，这些面料在实际空间中应用起来是实用的。例如，可以使用这种面料制作开放式工作空间中的隔板，或者防止声音传播的薄面料墙壁。

“创造噪音比创造寂静容易得多。事实上，为了阻挡噪音，我们需要花费大量空间来建造厚实的墙壁。” 麻省理工学院材料科学与工程系和电气工程与计算机科学系教授、研究实验室的选出成员约尔·芬克说。“格雷斯的工作提供了一种用薄薄一张面料创造安静空间的新机制。”

该研究的首席作者是格雷斯（诺埃尔）·杨，MIT的研究生，合著者包括MIT的研究生Taigyu Joo、Hyunhee Lee、Henry Cheung和Yongyi Zhao；MIT的化学工程罗伯特·N·劳伊斯职业发展教授扎卡里·史密斯；Case Western Reserve University的研究生Guanchun Rui和教授雷·朱；威斯康星大学麦迪逊分校的研究生Jinuan Lin和助理教授楚·马；罗德岛设计学院的研究生拉提卡·巴拉昌德。该研究的开放获取论文最近发表在《高级材料》杂志上。

消音丝绸的概念源自该团队之前的工作，用于制造面料麦克风。

在那项研究中，他们在织物中缝入单根压电纤维。压电材料在被挤压或弯曲时会产生电信号。当附近的噪音使织物振动时，压电纤维将这些振动转换成电信号，可以捕捉声音。

在新的工作中，研究人员颠倒了这个想法，创造了一种可以用来抵消声波的织物扬声器。

“虽然我们可以使用织物发声，但我们的世界已经非常嘈杂了。我们认为创造宁静可能会更有价值。” 杨说。

在压电纤维上施加电信号会使其振动，产生声音。研究人员演示了这一点，他们在一个直径130微米的丝绸片上演奏了巴赫的《空气》。

为了实现直接声音抑制，研究人员使用丝绸面料扬声器发出与不受欢迎的声波相互干涉的声波，达到消除噪音的效果。

然而，这种技术只在小范围内有效。因此，研究人员基于这个想法开发了一种使用织物振动在更大范围内抑制声音的技术，比如卧室。

假设你的隔壁邻居正在深夜玩桌上足球。你在自己的卧室里听到噪音，因为他们的声音使你们共用的墙壁振动，产生了你这边的声波。

为了抑制这种声音，研究人员可以将丝绸面料放在共用墙壁的你这一侧，并控制纤维的振动以使织物保持静止。这种振动介导的抑制防止了声音通过织物传播。

“如果我们能控制这些振动并阻止它们发生，我们就能阻止产生的噪音。” 杨说。

令人惊讶的是，研究人员发现，保持织物静止会使声音反射，像镜子对光线的反射一样，细薄的丝绸反射声音。

他们的实验还表明，织物的机械特性和孔隙大小都会影响声音生成的效率。虽然丝绸和粗棉具有相似的机械特性，但丝绸的孔隙大小较小，使其成为更好的织物扬声器。

但是有效的孔隙大小也取决于声波的频率。杨说，如果频率足够低，即使是具有相对较大孔隙的织物也可以有效发挥作用。

当他们测试丝绸面料在直接抑制模式下时，研究人员发现它可以显著降低65分贝的声音（大约与热情的人类交谈一样大声）。在振动介导的抑制模式下，面料可以减少75%的声音传输。

这些结果得益于一个强大的合作团队，芬克说。罗德岛设计学院的研究生帮助研究人员理解构建织物的细节；威斯康星大学麦迪逊分校的科学家进行了模拟实验；Case Western Reserve University的研究人员对材料进行了表征；MIT史密斯集团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织物的气流。

未来，研究人员希望探索如何利用他们的织物来阻挡多频率声音。这可能需要复杂的信号处理和额外的电子设备。

此外，他们希望进一步研究织物的结构，看看改变压电纤维的数量、缝制方向或施加电压等因素如何提高性能。

“我们可以调整很多参数使这种消音面料真正有效。我们希望让人们思考如何控制结构振动来抑制声音。这只是一个开始。” 杨说。

这项工作部分资助来自美国国家科学基金会（NSF）、美国陆军研究办公室（ARO）、国防威胁削减署（DTRA）和威斯康星校友研究基金会。