2019-03-07 23:54:01
开发出消除声音的声学超材料

波士顿大学的研究人员,工程学院的教授张新和博士的Reza Ghaffarivardavagh。机械工程系的学生在物理评论B上发表了一篇论文,证明它可以使用开放的环状结构来消除噪音,这种结构是数学上完美的规格,可以在保持气流的同时切断声音。

“今天的声障很厚实,”Ghaffarivardavagh说。尽管减少噪音的路障(称为隔音挡板)可以帮助淹没交通高峰时段的嗖嗖声或在音乐厅墙内包含音乐的交响乐,但它们是一种笨重的方法,不适合气流也很关键的情况。想象一下,将喷气发动机的排气口挡住了 - 飞机永远不会离开地面。相反,停机坪上的工人戴着耳塞,以保护他们的听力免受震耳欲聋的咆哮。

Ghaffarivardavagh和张让数学 - 一种共同的激情,激发了他们的工程职业生涯,并使他们成为非常适合的研究合作伙伴 - 引导他们朝着声学超材料看起来的可行设计。

他们计算了超材料为了干扰传输的声波需要具有的尺寸和规格,防止声音 - 而不是空气 - 通过开放结构辐射。他们说,基本前提是超材料需要以这样一种方式塑造,即将传入的声音发回到它们来自的地方。

作为测试案例,他们决定创建一种可以使扬声器声音静音的结构。根据他们的计算,他们模拟了最有效地消除噪音的物理尺寸。为了实现这些模型,他们使用3D打印来实现由塑料制成的开放式降噪结构。

在实验室试用,研究人员将扬声器密封在PVC管的一端。另一方面,将定制的声学超材料固定在开口中。随着播放按钮的敲击,实验性的扬声器设置在实验室中非常安静地生活。站在房间里,根据你的独立听觉,你永远不会知道扬声器正在爆破一个刺耳的高音调音符。但是,如果你盯着PVC管道,你会看到扬声器的低音炮嗡嗡作响。

超材料围绕着管子内部的周边环绕,就像一个静音按钮一样,直到Ghaffarivardavagh向下伸展并拉开它的那一刻。实验室突然响起了扬声器的声音尖叫声。

“我们第一次放置和移除消音器的那一刻......实际上是白天和黑夜,”Jacob Nikolajczyk说道,除了作为研究合着者和张的实验室的前本科研究员之外,他还是一位充满激情的声乐表演者。 “我们几个月来一直在计算机建模中看到这些结果 - 但是在计算机上看模拟声压级是一回事,而另一个则是自己听到它的影响。”

通过比较固定和不固定超材料的声级,研究小组发现,他们几乎可以将全部静音降低到94%,这与噪音非常相似,使扬声器发出的声音不易被人耳所感知。

现在他们的原型已经证明是如此有效,研究人员对于他们的声学沉默超材料如何开始工作使现实世界更安静有一些重要的想法。

“无人机是一个非常热门的话题,”张说。亚马逊等公司有兴趣使用无人机来运送货物,她说,“人们正在抱怨潜在的噪音。”

“罪魁祸首是向上移动的扇动,”Ghaffarivardavagh说道。 “如果我们可以在无人机风扇下方放置声音消音开放结构,我们可以抵消向地面辐射的声音。”

更接近家庭或办公室风扇和HVAC系统可以受益于声学超材料,使它们保持沉默,但仍然可以使热空气或冷空气在整个建筑物内无阻碍地循环。

Ghaffarivardavagh和张还指出,今天用于减少交通噪音污染的音障不太明显,并且看到了审美升级的空间。他们说:“我们的结构超轻,开放,美观。每件都可以用作瓷砖或砖块,以便扩大规模并建造一个消音,透水的墙壁。”

Ghaffarivardavagh说,基于它们的方法,声学消声超材料的形状也是完全可定制的。外部部件不需要是圆环形状以便起作用。

“我们可以将外形设计成立方体或六边形,任何东西都可以,”他说。 “当我们想要创建一个墙壁时,我们将采用六角形”,它可以像露天蜂窝结构一样组合在一起。

这样的墙可以帮助包含许多类型的噪音。张说,即使是那些来自MRI机器剧烈振动的人。

根据BU医学院放射学教授,该研究的共同作者Stephan Anderson的说法,声学超材料可能会被缩放为“适合MRI机器的中心孔”,在成像过程中屏蔽患者声音。

张说可能性是无穷无尽的,因为噪音缓解方法可以定制,以适应几乎任何环境:“我们的想法是,我们现在可以在数学上设计一个可以阻挡任何声音的物体,”她说。

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