这种消音丝绸可以创造安静的空间

我们生活在一个非常嘈杂的世界里。从窗外的交通嗡嗡声到隔壁邻居的电视声，再到同事隔间的声音，不需要的噪音仍然是一个响亮的问题。

为了打破喧嚣，来自麻省理工学院和其他地方的研究人员的跨学科合作开发了一种可以用来创造安静空间的消音丝绸面料。

这种织物几乎不比人的头发厚，含有一种特殊的纤维，当施加电压时会振动。研究人员利用这些振动以两种不同的方式抑制声音。

在一种情况下，振动织物会产生声波，干扰不需要的噪音以消除噪音，类似于降噪耳机，它在耳朵等狭小空间中效果很好，但在房间或飞机等大型外壳中不起作用。

在另一种更令人惊讶的技术中，织物保持静止以抑制振动，而振动是声音传播的关键。这样可以防止噪音通过织物传播，并使音量安静下来。第二种方法可以在房间或汽车等更大的空间中降低噪音。

通过使用丝绸、帆布和平纹细布等常见材料，研究人员创造了在现实世界中实用的降噪织物。例如，人们可以使用这种织物在开放式工作空间或薄织物墙中制作隔板，以防止声音通过。

“噪音比安静更容易产生。事实上，为了隔绝噪音，我们在厚墙上留出了大量空间。[第一作者]格蕾丝的工作提供了一种新的机制，可以用薄薄的织物创造安静的空间，“材料科学与工程系、电气工程和计算机科学系教授、电子研究实验室首席研究员、一篇关于织物的论文的资深作者Yoel Fink说。

该研究的主要作者是Grace （Noel） Yang SM ’21，PhD ’24。合著者包括麻省理工学院研究生 Taigyu Joo、Hyunhee Lee、Henry Cheung 和 Yongyi Zhao;麻省理工学院化学工程罗伯特·诺伊斯（Robert N. Noyce）职业发展教授扎卡里·史密斯（Zachary Smith）;凯斯西方大学研究生芮冠春、朱磊教授;威斯康星大学麦迪逊分校研究生林金暖和助理教授Chu 马;以及罗德岛设计学院的研究生拉蒂卡·巴拉钱德（Latika Balachander）。最近，一篇关于这项研究的开放获取论文发表在 《先进材料》（Advanced Materials）杂志上。

丝般寂静

消音丝绸建立在该小组之前创造织物麦克风的工作之上。

在这项研究中，他们将一根压电纤维缝入织物中。压电材料在挤压或弯曲时会产生电信号。当附近的噪音导致织物振动时，压电纤维将这些振动转换为电信号，从而可以捕获声音。

在这项新研究中，研究人员颠覆了这一想法，创造了一种可用于抵消声波的织物扬声器。

“虽然我们可以使用织物来创造声音，但我们的世界已经有太多的噪音。我们认为创造沉默可能更有价值，“杨说。

向压电光纤施加电信号使其振动，从而产生声音。研究人员通过使用安装在圆形框架上的130微米丝绸片演奏巴赫的“空气”来证明这一点。

为了实现直接声音抑制，研究人员使用丝绸织物扬声器发出声波，破坏性地干扰不需要的声波。它们控制压电纤维的振动，使织物发出的声波与撞击织物的不需要的声波相反，从而抵消噪音。

然而，这种技术只在小范围内有效。因此，研究人员以这个想法为基础，开发了一种技术，该技术利用织物振动来抑制更大区域（如卧室）的声音。

假设你的隔壁邻居在半夜玩桌上足球。你在卧室里听到噪音，因为他们公寓里的声音会导致你们共用的墙壁振动，从而在你身边形成声波。

为了抑制这种声音，研究人员可以将丝绸织物放在共享墙的一侧，控制纤维中的振动以迫使织物保持静止。这种振动介导的抑制可防止声音通过织物传播。

“如果我们能够控制这些振动并阻止它们发生，我们也可以阻止产生的噪音，”杨说。

声音的镜子

令人惊讶的是，研究人员发现，握住织物仍然会导致声音被织物反射，从而产生一块薄薄的丝绸，可以像镜子一样反射声音。

他们的实验还表明，织物的机械性能和孔隙的大小都会影响声音的产生效率。虽然真丝和平纹细布具有相似的机械性能，但真丝的孔径较小，使其成为更好的织物扬声器。

但有效孔径还取决于声波的频率。如果频率足够低，即使是孔隙相对较大的织物也可以有效地发挥作用，杨说。

当他们在直接抑制模式下测试丝绸织物时，研究人员发现它可以显着降低高达65分贝的声音音量（大约与热情的人类对话一样响亮）。在振动介导的抑制模式下，织物可以减少高达75%的声音传播。

芬克说，这些结果只有在强大的合作者团队的帮助下才有可能。罗德岛设计学院的研究生帮助研究人员了解了构建织物的细节;威斯康星大学麦迪逊分校的科学家进行了模拟;凯斯西储大学的研究人员对材料进行了表征;麻省理工学院史密斯小组的化学工程师利用他们在气膜分离方面的专业知识来测量通过织物的气流。

展望未来，研究人员希望探索使用他们的织物来阻挡多个频率的声音。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，以了解如何改变压电纤维的数量、缝制方向或施加的电压等因素来提高性能。

“我们可以转动很多旋钮，使这种消音织物真正有效。我们想让人们考虑控制结构振动来抑制声音。这仅仅是个开始，“杨说。

这项工作部分由美国国家科学基金会（NSF），陆军研究办公室（ARO），国防威胁减少局（DTRA）和威斯康星校友研究基金会资助。