再也不用帶耳塞了!這種薄如蟬翼的隔音新材料,竟是「消音神器」!

2024年06月15日19:00:16 家居 3641

噪音,現代社會無處不在的「公敵」。機器轟鳴、汽車喧囂、人聲嘈雜……持續不斷的噪音不僅影響我們的心情,更會損害健康。要對抗噪音,我們需要隔音材料的幫助。最新的研究表明,一種薄如夏蟬翅膀的絲綢織物,或許能成為消除噪音的「神器」。


這項突破性的研究,來自美國麻省理工學院和其他機構的跨學科合作團隊。他們受到降噪耳機的啟發,設計了一種特殊的絲綢織物。乍一看,它與普通絲綢並無二致,薄而輕盈,手感絲滑。但織入其中的卻是一根根擁有「超能力」的壓電纖維。


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抗噪織物示意圖(a.透過;b.發射;c.主動降噪;d.振動抑噪)(圖片來源:參考文獻1)


何謂壓電?


壓電效應,源自希臘語「piezein」,意思是「壓縮」或「擠壓」。這一效應是指某些特定的材料在受到機械應力時,表面會產生電荷,從而形成電壓。這種現象首次被發現於 1880 年,由居里兄弟(jacques 和 pierre curie)在研究石英晶體時觀察到。


壓電材料可以分為自然存在的晶體(如石英、鹽類晶體、某些生物材料如骨骼和 dna)和人工合成的材料(如某些陶瓷和聚合物)。這些材料的共同特點是,它們的晶體結構呈非中心對稱,這使得在外力作用下它們的晶格易發生偏移,從而在其表面積累電荷。


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當壓電效應材質的應變片改變形狀後會產生電壓(此為誇張的示意圖)(圖片來源:維基百科)


從日常生活中的打火機和壓電點火爐,到高科技領域的醫療成像設備和精密工業感測器,壓電技術在現代科技中有著廣泛的應用。


比如在醫療領域,壓電材料被用於製造超聲波成像設備,這些設備可以非侵入性地觀察人體內部結構,是現代診斷技術中不可或缺的一部分。在工業應用中,壓電感測器能夠檢測機器的運行狀態和健康狀況,幫助進行維護和故障診斷。


常見的壓電效應分為

以下兩種模式


第一種模式是直接壓電效應。當壓電材料受到外部力量(如壓力或拉力)時,其內部晶體結構的變形會導致電荷的重新分布,進而在材料兩端產生電壓。這種效應常被用於製作感測器和發電設備。例如,用於探測壓力變化或轉化機械能為電能。


第二種模式是逆壓電效應。與直接壓電效應相反,當電壓被施加到壓電材料上時,材料會經歷物理形變。這種效應被廣泛應用於精密控制系統(如精確驅動器和聲學振動器)中。逆壓電效應使得材料可以在電信號的控制下產生精確的機械運動。上文提到的這項研究製成的隔音絲綢所利用的壓電纖維就是藉助了逆壓電效應。當環境中的聲波激發壓電纖維時,這些纖維能夠將聲波能量轉換為電信號,然後再通過逆壓電效應產生相對的機械振動,發出反向聲波以抵消原有噪音,從而實現高效的雜訊控制。


神奇絲綢的「殺手鐧」


隔音絲綢中的壓電纖維,先要「聽見」聲音,才能抑制聲音。這些神奇的纖維,就像是超敏感的「耳朵」,當附近有噪音時,它們會隨著聲波振動,並將振動轉化為電信號。研究人員巧妙利用這一特點,讓織物化身為一台「隱形」的麥克風,實時捕捉周遭的聲音。


但僅僅聽見聲音還不夠,關鍵是要消除噪音。於是,科學家們再次發揮創意,賦予絲綢以「發聲」的技能。沒錯,這種織物不僅能聽,還能「說話」!通過控制壓電纖維的振動,讓織物發出特定頻率的聲波,與不想要的噪音「打對台」,進行抵消。就像兩個人同時大喊大叫,聲音互相干擾,反而聽不清彼此的聲音一樣,噪音也被織物發出的反向聲波「掐滅」了。


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主動降噪技術的工作原理想像圖,上方的藍色波形代表正常音樂,下方藍色波形為背景雜訊,紅色部分為耳機主動發出用來抵消雜訊的聲波。(圖片來源:ai合成)


除了主動發聲,這種神奇的絲綢還有另一個「殺手鐧」。要知道,聲音的產生和傳播,本質上都源於振動。如果我們能夠抑制這些振動,就能從源頭上防止噪音的產生,而這正是絲綢隔音的第二種模式。


通過調節電壓,可以使壓電纖維保持靜止,從而阻斷聲波的傳遞。這種模式堪稱「噤聲利器」,能讓飛機、汽車等嘈雜的環境瞬間安靜下來。


實驗數據印證了絲綢織物的隔音實力。在主動抵消模式下,它能顯著降低高達 65 分貝的噪音,相當於把吵鬧的餐館變成了圖書館。而在抑制振動模式下,更是能減少 75%的聲音傳播。


與看上去厚重笨拙的傳統隔音材料相比,這層薄如蟬翼的絲綢簡直是「斯文殺手」。


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降噪絲綢(標尺 1mm)(圖片來源:參考文獻1)


陰差陽錯帶來未來科技


值得一提的是,這項革命性的隔音技術,最初的靈感其實來自智能衣物的研發項目。研究人員最早嘗試把壓電纖維織入服裝,用於實時檢測人體生命體征,但他們發現這種材料還能「聽到」噪音,由此靈光一現,一個全新的降噪方案應運而生。


這種觸類旁通正印證了科學研究的魅力所在,看似不起眼的無關發現,往往蘊藏著改變世界的力量。


降噪絲綢的問世,讓噪音防控有了新的利器,但科學家們並未止步於此。他們計划進一步挖掘這種材料的潛力,研究如何阻隔多頻噪音,並通過調整壓電纖維的編織方式、施加電壓等參數,不斷優化織物性能。


可以預見,經過更多技術迭代,這種隔音絲綢有望成為集輕薄、透氣、高效、可定製於一身的降噪「萬金油」,為人們打造安靜舒適的生活和工作環境。


結語


這項研究的意義,不僅在於創造了一種新型隔音材料,更在於它所蘊含的無限想像空間。試想,未來我們的衣服、窗帘、壁紙,都有可能用上這種「隔音絲綢」,隨時隨地營造一方寧靜天地。在這個喧囂的世界,一片小小的絲綢,或許就能帶來意想不到的改變。讓我們拭目以待,期待這項黑科技早日走進尋常百姓家,為更多人帶去久違的寧靜。


參考文獻

[1]single layer silk and cotton woven fabrics for acoustic emission and active sound suppression, grace h. yang, jinuan lin, henry cheung, guanchun rui, yongyi zhao, latika balachander, taigyu joo, hyunhee lee, zachary p. smith, lei zhu, chu ma, yoel fink

[2]故淵:主動降噪織物問世,可讓你的房間戴上「降噪耳機」


策劃製作

出品丨科普中國

作者丨郭菲(煙台大學)

監製丨中國科普博覽

責編丨一諾

審校丨徐來 林林



本文封面圖片及文內圖片來自版權圖庫

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