聯合國估計到2050年全球70%左右的人口將居住在城市裏。隨之而來的，是城市污染問題的不斷加重。城市污染的一個關鍵種類，就是噪聲污染。城市人口越多，意味着機動車、建築工地，以及居民活動本身造成的聲音越來越大，噪聲污染越來越嚴重。

　　圖/FT中文網 數據來源：中國環境保護部

　　從源頭降低甚至消除噪聲，將會是一項艱鉅的工程。不過，降低這些噪聲被人所感知到的強度，倒是一個非常值得研究的話題。

　　這不，來自波士頓大學 (Boston University) 工程系和醫學院的四位科學家，最近就在這一領域取得了重大的進展。通過將數學與3D打印相結合，他們創造了一種圓環形狀的新材料，實現了顛覆常識的結果：

　　可見光和空氣能夠不受干擾地穿過圓環，94%的聲能 (acoustic energy) 卻被消除了。也就是說，透過這個圓環，絕大部分的聲音都被消音了！

　　大致工作原理

　　大家可能還記得中學物理課上學過的知識，聲音的本質其實是傳播介質振動所產生的波。既然如此，那麼聲波在理論上是可以被幹擾、減弱甚至消除的，從而達到消音的效果。

　　團隊成員之一，BU 研究助理 Reza Ghaffarivardavagh 指出，“聲音其實是空氣中非常細微的振動，因此我們的目標是消除掉這些振動。”

　　實際上，許許多多已有的材質都可以消除掉這些振動。比如玻璃可以減弱聲音的傳播，但它的問題是不透風；同理，一面水泥牆也可以在很大程度上隔音，但它不能透光。而 BU 研究團隊的目標，是創造出一種新的材料，既能透光，也能通風，還能減弱甚至完全消除聲音。

　　人類已知的大自然當中，和人類能夠生產的常規合成材料，目前都無法滿足這一目標。於是，這就涉及到了團隊成員之一，BU 機械工程系張鋅教授的專業領域：超材料。

　　超材料 (metamaterial) 是由拉丁語詞根“meta-”和材料 (material) 組成的一個合成詞。它指的是自然界不存在的，擁有一些非自然性質的人造材料。

　　爲什麼超材料擁有這些“不可理喻”的能力？皆因它具有特殊的材質內部微結構，精密程度可能小於它所作用的波長（在本研究中就是聲波。）因此，這種材料具有對聲波施加影響的能力，可以削弱、折射，甚至大比例反射聲波。

　　在這項研究中，BU 的科學家設計的正是下面這個看起來沒什麼玄妙之處的圓環。從圖中你或許可以看到，在環狀的內部，以及內環的表面上，都具有各不相同的特殊結構。而這些結構的規格，是由複雜的數學計算得出的。

　　理論上，這個聲學超材料圓環能夠把本來要穿過它的聲波，朝着聲源的方向“反彈”回去。

　　實驗：94%阻擋率

　　實研究者設計了這樣一個

　　實驗環境(YouTube)

　　：用一個巨大的揚聲器正對着一條 PVC 管播放高頻噪音，把聲學超材料圓環插入到 PVC 管的末端，然後測量收到的聲波能量。

　　當圓環安裝在管上時，實驗者幾乎聽不到聲音。透過空心，實驗者卻能看到揚聲器表面上澎湃的震動。取下圓環後，刺耳的高頻噪音立刻充滿了整個房間。

　　圓環確實“反彈”了本應該穿過空心的絕大部分聲波。實驗數據顯示，這塊聲學超材料圓環削弱了多達94%的聲能。

　　實驗成功了。

　　“我們在電腦上的建模一直是這樣的結果，但是真的聽到它的靜音效果，完全是另一種震撼。”團隊成員之一 Jacob Nikolajczyk 興奮地表示。

　　下圖中展示了不同頻段聲音被減弱的效果。圖示(a) 是400Hz平面波，聲能沒有被降低太多；(b) 460Hz，因爲類法諾共振效應，聲能則被極大削弱了；(c) 則顯示了不同頻率聲波（橫軸）在不同開口性（也即開口面積佔圓環橫截面總面積的比例，縱軸）上的穿過表現，越藍代表削弱越嚴重。

　　需要提及的是，這種聲學超材料，可以進行微調從而針對不同頻段的聲音。但是因爲開口結構，它無法屏蔽超低頻以及次聲頻段（>

　　不過，張鋅教授也在 BU 文章的評論裏提到，對於開口結構解決不了的次聲噪音，可以用更經典的不開口、不透氣結構來實現屏蔽。

　　應用場景：近乎無限

　　在本研究當中超材料本身的材質並不具備決定性。也就是說，如果3D打印機的打印精度達到要求，這種聲學超材料並不限於現在的“塑料”，也可能是更堅硬的金屬，或者其他更具韌性的材質。

　　而且最終成型的超材料單品，也不一定非得是圓環。它可以變成更長的管狀，橫截面的形狀也可以改變——比如六邊形。理論上，只需要對材料內部和表面材質進行一定程度的微調，就可以達到相似的效果。

　　這種聲學超材料可以在不同的規模上使用。

　　如果我們構思大規模的使用場景，相信第一個想到的就是建築外牆。比如機場和火車站航站樓這樣的地方，此時如果超材料的橫截面爲六邊形，就能派上很大用場了。

　　六邊形堆疊的圖示，僅做參考

　　如圖所示，這種超材料可以大量無縫堆疊，屏蔽交通工具產生的高噪音，順便還能透光通風，在一定程度上兼具了玻璃窗和通風系統的作用，節能減排。

　　在中等規模上，汽油車等內燃式交通工具也有被這種超材料改造的潛力。目前汽車噪音主要來自鳴笛、馬路噪音和排氣，後者主要是在排氣系統的尾段放置阻抗性的消音器。好處是聲音降低了，不好的地方是阻礙了發動機的“呼吸”，並且消音器本身是損耗品。

　　而如果把圓環放置在排氣系統裏，意味着發動機可以更加順暢的呼吸，同時排氣噪音會被很大程度降低。這樣，汽車的“性能”和安靜終於可以兼顧了。

　　BU 團隊中的放射學專業 Stephen Anderson 教授指出，另一個可以應用的工業領域是醫療機械。如果將超材料放到核磁共振器裏，能屏蔽掉成像過程產生的大部分噪音，給患者帶來更好的體驗。

　　在小規模的消費電子或手持設備上，這種超材料也有很大的用處。在美國不流行掃落葉，總是有人拿着吹葉機 (leaf blower) 到處吹來吹去製造噪音，來自發動機和出風管的各佔一部分。如果把圓環放在吹葉機的出風管上，硅星人每週四早上就不會再被小區請的清潔工吵醒了……

　　BU 研究團隊還提了一個很有趣的使用場景：無人機。玩過的朋友應該知道無人機噪音是非常大的，主要由槳葉旋轉吹出的高速氣流導致。如果在每個螺旋槳下面都放一個圓環，理論上聲波就被反射回天空了，在地面的人聽到的噪音會變小很多。

　　“我們現在可以利用數學設計一個物體，讓它阻擋任何聲音，”張鋅教授表示，她相信這種技術的應用潛力幾乎是無限的。