該大學(xué)的機(jī)械工程師加法里瓦爾達(dá)瓦格（RezaGhaffarivardavagh）說(shuō)：“今天隔音用的音障實(shí)際上是厚重的墻壁。”盡管被稱為隔音擋板的降噪路障有助于降低高峰時(shí)段的交通高峰引起的噪音，不會(huì)太影響你聽(tīng)交響曲，但它們?nèi)匀皇且环N笨拙的方法，不太適合那些必須需要空氣流通的情況。
“我們能設(shè)計(jì)一種既能阻擋噪音又能保持空氣流通的結(jié)構(gòu)嗎？“
想象一下，如果堵住噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣口，飛機(jī)就永遠(yuǎn)不會(huì)離開(kāi)地面。相反，在停機(jī)坪上工作的人都戴著耳塞，以防聽(tīng)到震耳欲聾的轟鳴聲。
一個(gè)誘人的問(wèn)題拋給了研究人員：“我們能設(shè)計(jì)一種既能阻擋噪音又能保持空氣流通的結(jié)構(gòu)嗎？“
依靠他們的數(shù)學(xué)能力和3D打印技術(shù)，他們可以。這項(xiàng)研究成果已經(jīng)發(fā)表在《物理評(píng)論》上。
喧囂的城市生活
“我一直對(duì)聲學(xué)感興趣，”加法里瓦爾達(dá)瓦格說(shuō)，他在伊朗德黑蘭謝里夫理工大學(xué)完成了機(jī)械工程學(xué)士學(xué)位，后來(lái)來(lái)到波士頓大學(xué)攻讀研究生?，F(xiàn)在，在張教授的實(shí)驗(yàn)室里，加法里瓦爾達(dá)瓦格快要完成博士學(xué)位了。“我喜歡做一些我能聽(tīng)到或看到結(jié)果的事情。我可以對(duì)我們現(xiàn)在面臨的問(wèn)題產(chǎn)生影響。”
在來(lái)到波士頓之前，張教授和加法里瓦爾達(dá)瓦格以前都在其他大城市生活過(guò)，他們一直對(duì)波士頓的城市噪音情況感到驚奇。在波士頓，城市的嘈雜聲混雜在一起，從頭頂飛過(guò)的飛機(jī)、汽車、卡車和公共汽車的引擎和喇叭、MBTA手推車的隆隆聲和刺耳聲，以及建筑設(shè)備和電源的嗡嗡聲。
“如果我們希望結(jié)構(gòu)內(nèi)部是開(kāi)放的，那么我們必須記住，這將是聲音傳播的途徑。”
他們說(shuō)，城市生活是如此嘈雜，你必須找到一種方法來(lái)創(chuàng)造安靜的時(shí)刻。
這讓他們想到了一種一不尋常的聲音擋板，它根本不是一個(gè)常規(guī)的屏障，而是一個(gè)開(kāi)放的管道。這種發(fā)現(xiàn)只能通過(guò)開(kāi)發(fā)一種具有不尋常和非自然特性的材料（稱為超材料）才能實(shí)現(xiàn)，在這種情況下，這種材料能夠?qū)β曇艉吐晫W(xué)超材料產(chǎn)生特別的影響。
“我從事超材料研究已經(jīng)有十多年了，”張教授說(shuō)，他是工程學(xué)院和光子學(xué)中心的多學(xué)科教授。“但正是加法里逐漸讓我對(duì)聲學(xué)和超材料結(jié)合的基本概念更加興奮。如果你問(wèn)我和我的同事，你就會(huì)知道，聲學(xué)超材料是一個(gè)相對(duì)新的方向……它是未來(lái)。”
靜音揚(yáng)聲器
Ghaffarivardavagh和Zhang他們對(duì)數(shù)學(xué)學(xué)科共同的熱情激勵(lì)了他們的工程事業(yè)，并使他們成為非常適合的研究伙伴，引導(dǎo)他們朝著一個(gè)可行的設(shè)計(jì)方向，搞清楚的聲學(xué)超材料將是什么樣子。
“聲音是由空氣中微小的振動(dòng)產(chǎn)生的。所以，我們的目標(biāo)是讓這些微小的振動(dòng)安靜下來(lái)。“如果我們希望結(jié)構(gòu)內(nèi)部是開(kāi)放的，那么我們必須記住，這將是聲音傳播的途徑。”
他們計(jì)算了超材料需要具備的尺寸和規(guī)格，以便干擾傳播的聲波，防止聲音而不是空氣通過(guò)開(kāi)放式結(jié)構(gòu)輻射。他們說(shuō)，最基本的前提是超材料的形狀需要能夠?qū)魅氲穆曇舭l(fā)送回它們來(lái)自的地方。
作為一個(gè)測(cè)試案例，他們決定創(chuàng)造一種可以使揚(yáng)聲器的聲音靜音的結(jié)構(gòu)。根據(jù)他們的計(jì)算，他們建立了能夠最有效地消除噪音的物理尺寸模型。為了使這些模型栩栩如生，他們使用3D打印技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)一個(gè)由塑料制成的開(kāi)放的、消除噪音的結(jié)構(gòu)。
“如果我們能在無(wú)人機(jī)的機(jī)翼下面安裝這種消聲開(kāi)放式結(jié)構(gòu)，我們就能消除向地面輻射的聲音。”
實(shí)驗(yàn)室里試驗(yàn)，研究人員把揚(yáng)聲器密封在一根聚氯乙烯管的一端。在另一端，他們把特制的聲學(xué)超材料固定在開(kāi)口處。隨著開(kāi)始按鈕的按下，實(shí)驗(yàn)揚(yáng)聲器在實(shí)驗(yàn)室里非常安靜。站在房間里，根據(jù)你自己的聽(tīng)覺(jué)，你都沒(méi)有聽(tīng)到知道揚(yáng)聲器實(shí)際上已經(jīng)發(fā)出了一個(gè)令人惱火的高音音符。然而，如果你凝視著PVC管，你會(huì)看到擴(kuò)音器的低音炮嗡嗡作響。
這種超材料，環(huán)繞著管子口的內(nèi)部周界，像一個(gè)無(wú)聲的按鈕化身，直到伽法利瓦爾達(dá)瓦格伸手把它拔出來(lái)的那一刻。實(shí)驗(yàn)室突然聽(tīng)到擴(kuò)音器的尖聲回響。
“我們從第一次放置和取出消音器的那一刻開(kāi)始……實(shí)際一直在日夜不停的做實(shí)驗(yàn)，”Jacob Nikolajczyk說(shuō)，他除了是一名研究合作者和張教授的實(shí)驗(yàn)室的前本科生研究人員外，還是一名充滿激情的聲樂(lè)表演者。
“數(shù)月來(lái)，我們?cè)谟?jì)算機(jī)建模中看到了這些結(jié)果，但在計(jì)算機(jī)上看到模擬的聲壓級(jí)是一回事，而自己去聽(tīng)它的影響是另一回事。”
通過(guò)對(duì)比有無(wú)固定的超材料的聲級(jí)，研究小組發(fā)現(xiàn)，他們幾乎可以使噪音降低94%，準(zhǔn)確地說(shuō)是，人們幾乎聽(tīng)不到從揚(yáng)聲器發(fā)出的聲音。
展望未來(lái)
既然他們的原型已經(jīng)被證明是如此有效，研究人員對(duì)他們的消聲超材料如何使現(xiàn)實(shí)世界變得更安靜有了一些重要的想法。
“無(wú)人駕駛飛機(jī)是一個(gè)非常熱門的話題，”張教授表示。她說(shuō)，像亞馬遜這樣的公司有興趣使用無(wú)人機(jī)來(lái)運(yùn)送貨物，“但是人們可能對(duì)潛在的噪音非常擔(dān)心。”
“罪魁禍?zhǔn)资菣C(jī)翼的運(yùn)動(dòng)，”加法里瓦爾達(dá)瓦格說(shuō)。“如果我們能在無(wú)人機(jī)機(jī)翼下面設(shè)置消聲開(kāi)放式結(jié)構(gòu)，我們就能消除向地面輻射的聲音。”
靠近家或辦公室的風(fēng)扇和暖通空調(diào)系統(tǒng)可以從聲學(xué)超材料中受益，這些材料使它們保持沉默，但仍允許冷熱空氣在整個(gè)建筑中無(wú)阻礙地循環(huán)。
Ghaffarivardavagh和Zhang還指出，如今用于減少交通噪音污染的隔音屏障很不雅觀，并為美學(xué)升級(jí)騰出空間。“我們的結(jié)構(gòu)超輕、開(kāi)放、美觀。他們說(shuō)：“每一塊磚都可以用作瓦片或磚式消音，我們可以擴(kuò)大規(guī)模，建造一堵隔音、透氣的消音墻。”
“消聲超材料的形狀，根據(jù)他們的方法，也是完全可定制的，”加法里瓦爾達(dá)瓦格說(shuō)。外部零件不需要是圓形的環(huán)才能發(fā)揮作用。
他說(shuō)：“我們可以把外部形狀設(shè)計(jì)成立方體或六邊形，或設(shè)計(jì)成任何真正的形狀。”“當(dāng)我們想要建造一堵墻的時(shí)候，我們會(huì)變成六邊形”，就像一個(gè)露天的蜂窩結(jié)構(gòu)。
這樣的墻壁有助于容納多種類型的噪音。甚至那些來(lái)自核磁共振機(jī)器的強(qiáng)烈振動(dòng)，張教授表示 。
據(jù)醫(yī)學(xué)院放射學(xué)教授斯蒂芬·安德森（Stephan Anderson）介紹，這種聲學(xué)超材料可能會(huì)縮放到“適合核磁共振成像儀的中心孔”，從而在成像過(guò)程中保護(hù)患者免受聲音的影響。
張教授認(rèn)為，這種可能性是無(wú)止境的，因?yàn)檠芯咳藛T可以定制適合幾乎任何環(huán)境的降噪方法：“我們的想法是，現(xiàn)在我們可以用數(shù)學(xué)方法設(shè)計(jì)出一個(gè)可以阻擋任何聲音的物體。”