打败噪音！波士顿大学“超材料”透光通风却能隔声？

联合国估计到2050年全球70%左右的人口将居住在城市里。随之而来的，是城市污染问题的不断加重。城市污染的一个关键种类，就是噪声污染。城市人口越多，意味着机动车、建筑工地，以及居民活动本身造成的声音越来越大，噪声污染越来越严重。

图/FT中文网数据来源：中国环境保护部

从源头降低甚至消除噪声，将会是一项艰巨的工程。不过，降低这些噪声被人所感知到的强度，倒是一个非常值得研究的话题。

这不，来自波士顿大学(Boston University) 工程系和医学院的四位科学家，最近就在这一领域取得了重大的进展。通过将数学与3D打印相结合，他们创造了一种圆环形状的新材料，实现了颠覆常识的结果：

可见光和空气能够不受干扰地穿过圆环，94%的声能(acoustic energy) 却被消除了。也就是说，透过这个圆环，绝大部分的声音都被消音了！

大致工作原理

大家可能还记得中学物理课上学过的知识，声音的本质其实是传播介质振动所产生的波。既然如此，那么声波在理论上是可以被干扰、减弱甚至消除的，从而达到消音的效果。

团队成员之一，BU 研究助理Reza Ghaffarivardavagh 指出，“声音其实是空气中非常细微的振动，因此我们的目标是消除掉这些振动。”

实际上，许许多多已有的材质都可以消除掉这些振动。比如玻璃可以减弱声音的传播，但它的问题是不透风；同理，一面水泥墙也可以在很大程度上隔音，但它不能透光。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，还能减弱甚至完全消除声音。

人类已知的大自然当中，和人类能够生产的常规合成材料，目前都无法满足这一目标。于是，这就涉及到了团队成员之一，BU 机械工程系张锌教授的专业领域：超材料。

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

为什么超材料拥有这些“不可理喻”的能力？皆因它具有特殊的材质内部微结构，精密程度可能小于它所作用的波长（在本研究中就是声波。）因此，这种材料具有对声波施加影响的能力，可以削弱、折射，甚至大比例反射声波。

在这项研究中，BU 的科学家设计的正是下面这个看起来没什么玄妙之处的圆环。从图中你或许可以看到，在环状的内部，以及内环的表面上，都具有各不相同的特殊结构。而这些结构的规格，是由复杂的数学计算得出的。

理论上，这个声学超材料圆环能够把本来要穿过它的声波，朝着声源的方向“反弹”回去。

实验：94%阻挡率

实研究者设计了这样一个实验环境(YouTube)：用一个巨大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 管的末端，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表面上澎湃的震动。取下圆环后，刺耳的高频噪音立刻充满了整个房间。

圆环确实“反弹”了本应该穿过空心的绝大部分声波。实验数据显示，这块声学超材料圆环削弱了多达94%的声能。

实验成功了。

“我们在电脑上的建模一直是这样的结果，但是真的听到它的静音效果，完全是另一种震撼。”团队成员之一Jacob Nikolajczyk 兴奋地表示。

下图中展示了不同频段声音被减弱的效果。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，声能则被极大削弱了；(c) 则显示了不同频率声波（横轴）在不同开口性（也即开口面积占圆环横截面总面积的比例，纵轴）上的穿过表现，越蓝代表削弱越严重。

这项研究已经于今年一月发表在凝聚态物理的核心期刊Physical Review B 上。

需要提及的是，这种声学超材料，可以进行微调从而针对不同频段的声音。但是因为开口结构，它无法屏蔽超低频以及次声频段（<20Hz），比如某些柴油发动机和特殊改装排气管发出的噪音。

不过，张锌教授也在BU 文章的评论里提到，对于开口结构解决不了的次声噪音，可以用更经典的不开口、不透气结构来实现屏蔽。

应用场景：近乎无限

在本研究当中超材料本身的材质并不具备决定性。也就是说，如果3D打印机的打印精度达到要求，这种声学超材料并不限于现在的“塑料”，也可能是更坚硬的金属，或者其他更具韧性的材质。

而且最终成型的超材料单品，也不一定非得是圆环。它可以变成更长的管状，横截面的形状也可以改变——比如六边形。理论上，只需要对材料内部和表面材质进行一定程度的微调，就可以达到相似的效果。

这种声学超材料可以在不同的规模上使用。

如果我们构思大规模的使用场景，相信第一个想到的就是建筑外墙。比如机场和火车站航站楼这样的地方，此时如果超材料的横截面为六边形，就能派上很大用场了。

六边形堆叠的图示，仅做参考⤵️

如图所示，这种超材料可以大量无缝堆叠，屏蔽交通工具产生的高噪音，顺便还能透光通风，在一定程度上兼具了玻璃窗和通风系统的作用，节能减排。

在中等规模上，汽油车等内燃式交通工具也有被这种超材料改造的潜力。目前汽车噪音主要来自鸣笛、马路噪音和排气，后者主要是在排气系统的尾段放置阻抗性的消音器。好处是声音降低了，不好的地方是阻碍了发动机的“呼吸”，并且消音器本身是损耗品。

而如果把圆环放置在排气系统里，意味着发动机可以更加顺畅的呼吸，同时排气噪音会被很大程度降低。这样，汽车的“性能”和安静终于可以兼顾了。

BU 团队中的放射学专业Stephen Anderson 教授指出，另一个可以应用的工业领域是医疗机械。如果将超材料放到核磁共振器里，能屏蔽掉成像过程产生的大部分噪音，给患者带来更好的体验。

在小规模的消费电子或手持设备上，这种超材料也有很大的用处。在美国不流行扫落叶，总是有人拿着吹叶机(leaf blower) 到处吹来吹去制造噪音，来自发动机和出风管的各占一部分。如果把圆环放在吹叶机的出风管上，硅星人每周四早上就不会再被小区请的清洁工吵醒了……

BU 研究团队还提了一个很有趣的使用场景：无人机。玩过的朋友应该知道无人机噪音是非常大的，主要由桨叶旋转吹出的高速气流导致。如果在每个螺旋桨下面都放一个圆环，理论上声波就被反射回天空了，在地面的人听到的噪音会变小很多。

“我们现在可以利用数学设计一个物体，让它阻挡任何声音，”张锌教授表示，她相信这种技术的应用潜力几乎是无限的。