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打败噪音!波士顿大学“超材料”透光通风却能隔声? |弗成理

原标题:打败噪音!波士顿大年夜学“超材料”透光通风却能隔声?

结合国估计到2050年全球70%阁下的人口将栖身在城市里。随之而来的,是城市污染问题的赓续加重。城市污染的一个关键种类,就是噪声污染。城市人口越多,意味着灵活车、建筑工地,以及居平易近活动本身造成的声音越来越大年夜,噪声污染越来越严重。

图/FT中文网 数据来源:中国情况保护部

从泉源降低甚至清除噪声,将会是一项艰苦的工程。不过,降低这些噪声被人所感知到的强度,倒是一个异常值得研究的话题。

这不,来自波士顿大年夜学 (Boston University) 工程系和医学院的四位科学家,比来就在这一范畴取得了重大年夜的进展。经由过程将数学与3D打印相结合,他们创造了一种圆环外形的新材料,实现了颠覆常识的成果:

而假如把圆环放置在排气体系里,意味着发念头可以加倍顺畅的呼吸,同时排气噪音会被很大年夜程度降低。如许,汽车的“机能”和安静终于可以兼顾了。

可见光和空气可以或许不受干扰地穿过圆环,94%的声能 (acoustic energy) 却被清除了。也就是说,透过这个圆环,绝大年夜部分的声音都被消音了!

大年夜家可能还记得中学物理课上学过的常识,声音的本质其实是传播介质振动所产生的波。既然如斯,那么声波在理论上是可以被干扰、减弱甚至清除的,从而达到消音的后果。

团队成员之一,BU 研究助理 Reza Ghaffarivardavagh 指出,“声音其实是空气中异常细微的振动,是以我们的目标是清除掉落这些振动。”

实际上,许很多多已有的材质都可以清除掉落这些振动。比如玻璃可以减弱声音的传播,但它的问题是不通风;同理,一面水泥墙也可以在很大年夜程度上隔音,但它不克不及透光。而 BU 研究团队的目标,是创造出一种新的材料,既能透光,也能通风,还能减弱甚至完全清除声音。

人类已知的大年夜天然傍边,和人类可以或许临盆的惯例合成材料,今朝都无法知足这一目标。于是,这就涉及到了团队成员之一,BU 机械工程系张锌传授的专业范畴:超材料。

超材料 (metamaterial) 是由拉丁语词根“meta-”和材料 (material) 构成的一个合成词。它指的是天然界不存在的,拥有一些非天然性质的人造材料。

为什么超材料拥有这些“弗成理喻”的才能?皆因它具有特别的材质内部微构造,周详程度可能小于它所感化的波长(在本研究中就是声波。)是以,这种材料具有对声波施加影响的才能,可以减弱、折射,甚至大年夜比例反射声波。

在这项研究中,BU 的科学家设计的恰是下面这个看起来没什么微妙之处的圆环。从图中你或许可以看到,在环状的内部,以及内环的外面上,都具有各不雷同的特别构造。而这些构造的规格,是由复杂的数学计算得出的。

理论上,这个声学超材料圆环可以或许把本来要穿过它的声波,朝着声源的偏向“反弹”归去。

实验:94%阻挡率

实研究者设计了如许一个实验情况(YouTube):用一个巨大年夜的扬声器正对着一条 PVC 管播放高频噪音,把声学超材料圆环插入到 PVC 管的末尾,然后测量收到的声波能量。

当圆环安装在管上时,实验者几乎听不到声音。透过空心,实验者却能看到扬声器外面上彭湃的震动。取下圆环后,逆耳的高频噪音急速充斥了全部房间。

圆环确切“反弹”了本应当穿过空心的绝大年夜部分声波。实验数据显示,这块声学超材料圆环减弱了多达94%的声能。

大年夜致工作道理

“我们在电脑上的建模一向是如许的成果,然则真的听到它的静音后果,美满是另一种震动。”团队成员之一 Jacob Nikolajczyk 高兴地表示。

下图中展示了不合频段声音被减弱的后果。图示(a) 是400Hz平面波,声能没有被降低太多;(b) 460Hz,因为类法诺共振效应,声能则被极大年夜减弱了;(c) 则显示了不合频率声波(横轴)在不合开口性(也即开口面积占圆环横截面总面积的比例,纵轴)上的穿过表示,越蓝代表减弱越严重。

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