美科學家研發新抗噪織物 創造安靜的空間

生活中存在許多噪音，刺激著人的耳朵和大腦，影響人們的聽覺、睡眠和精神狀況。長時間處於噪音污染的環境中，身心都會出現問題。不久前，美國研發出一種降噪織物（窗簾），可為人們創造一個安靜的環境。

先前有報告指出，有三分之一的美國人（1億多人）和40%的歐洲人暴露在危險的噪音中。世界衛生組織更將那些不必要的噪音，視為需要關注的公共衛生問題，因為這些噪音的威脅經常被低估，它可能導致許多短期和長期的健康問題。例如，睡眠障礙、聽力障礙、心血管疾病、工作和學習表現不佳等。

為了抑制噪音水平，使用主動和被動解決方案，成為目前主流的解決方法。其中一種為「主動降噪」，主要應用到耳機和耳塞領域上。「被動降噪」則用於較大規模的體積上（房間內），利用高聲阻抗材料去反射或吸收聲音，以達到減少噪音的出現，材料通常使用岩石、天然或化學做成的纖維和泡沫。

不過，這些材料對於低頻噪音的效果並非都很好，往往需要1.5-10厘米厚的隔音材料層才能產生效果。另外，有些材料不僅價格昂貴，且對環境和美學產生影響。為此，人們需要輕薄緊湊、高效、美觀且能抑制聲音的材料，以滿足這個龐大的需求。

這次，美國麻省理工學院（MIT）和威斯康辛大學（UW）等機構的研究人員進行跨學科合作，開發了一種特殊纖維做成的絲綢織物，只要施加電壓讓其產生震動，就能達到抑制噪音的目的。該研究報告於4月初發表在《先進材料》雜誌上。

研究人員先出壓電纖維，該纖維由聚偏二氟乙烯和三氟乙烯混合而成，裏面含有200納米的鈦酸鋇陶瓷顆粒和兩根銅線。隨後將其固定到織物的表面，當施加電壓時，這種纖維會振動，而壓電材料在擠壓或彎曲時會產生電訊號。

他們將6.7厘米長的特殊纖維縫在直徑8厘米、厚130微米（µm）和50µm的圓形平紋絲織物上進行測試，當它們通電時，絲織物會發出高達70分貝（dB）的聲音，起到降噪的作用。

為了實現直接抑制聲音，研究人員利用這些振動中的兩種不同形式，達到抑制聲音。第一種方式是控制壓電材料，讓絲織物變成揚聲器發出震動和聲音，破壞其它不必要的干擾聲音（聲波），以達到「主動降噪」的目的。不過，這種方式僅在小範圍內有效，就像降噪耳機一樣。

基於第一種方式，研究人員想出第二種方法。該方法主要對聲音傳播介質（空氣和物體）下手，抑制織物中的振動，以防止聲音傳播，因此這種抑制被稱為「振動介質抑制」。

第二種方法需要將絲綢織物放屋內與屋外共用的牆體上，控制纖維的振動，讓織物保持靜止減少聲音的穿透，以達到隔絕噪音。這種「振動介質的抑制」可防止聲音透過織物傳播，非常適合用在睡房。

另外，他們在實驗中發現織物的孔隙率（空隙體積與其質量體積之比），會影響聲音產生的效率。不過，孔隙大小也取決於聲波的頻率，因此如果頻率夠低，即使是孔徑相對較大的織物也能有效發揮作用。

當研究人員在「主動降噪」下測試絲綢織物時，發現它可以顯著降低高達65 分貝（dB）的音量，這個音量與成年人交談時的音量（70分貝）差不多。

他們還發現，若在「振動介質的抑制」模式下，此織物的振幅降低95%，可將聲音傳輸減少75%，有望用於（如房間或汽車）降低噪音，有趣的是這方法原則上還能無限量的降低聲音。另外，它還可以動態控制織物的聲學反射率，最高可提高68%，因此可運用到運輸和建築等方面。

對此，實驗人員表示他們可以透過使用絲綢、帆布和平紋細布等常見材料，製造出在現實空間中實用的降噪織物，同時希望有更多不同的織物用來阻擋多種頻率的聲音，不過這可能需要複雜的訊號處理和額外的電子設備。

此外，他們希望進一步研究織物的結構，看看改變壓電纖維的數量、縫合方向或施加的電壓等因素以提高性能。

論文的主要作者格雷斯·楊（Grace Yang）博士對該校的新聞室表示，「雖然我們可以使用織物來產生聲音，但我們的世界已經有很多噪音。我們認為創造安靜可能更有價值。因此我們控制這些振動阻止它們產生的噪音。」

該織物論文的資深作者、材料科學與工程系和電機工程與電腦科學系教授尤爾·芬克（Yoel Fink）說，「製造噪音比製造安靜要容易得多。事實上，我們在厚牆上留出了很多空間，只為了隔絕噪音。這次實驗人員格雷斯·楊（Grace Yang）的產品使用新的機制，只要使用薄薄的織物就能創造一個安靜的空間。」

這項工作的部份資金由美國國家科學基金會（NSF）、陸軍研究辦公室（ARO）、國防威脅降低局（DTRA）和威斯康辛州校友研究基金會資助。@

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