波士頓大學研究3D打印'聲學超材料'，讓無人機靜音在城市中穿行

波士頓大學研究3D打印'聲學超材料'，讓無人機靜音在城市中穿行

波士頓大學的一個機械工程師團隊表示，可以使用開放的環狀結構來消除噪音，這種結構是數學上完美的規格，可以在保持氣流的同時切斷聲音。他們開發了一種新設備，專門設計用于阻擋高達94％的入射聲波，同時仍讓空氣通過。

Reza Ghaffarivardavagh（ENG）（前中心）在他的耳朵上有兩個開放的環狀結構，而Stephan Anderson（MED）（左），Xin Zhang（ENG）（后方中心）和Jacob Nikolajczyk（ENG）（右）一個球拍。攝影：Cydney Scott

盡管減少噪音的路障（稱為隔音擋板）可以幫助淹沒交通高峰時段的嗖嗖聲或在音樂廳墻內包含音樂的交響樂，但它們是一種笨重的方法，不適合氣流也很關鍵的情況。

研究人員說：“聲音是由空氣中微小的干擾造成的。” “所以，我們的目標是讓那些微小的振動沉默。如果我們希望結構的內部是露天的，那么我們必須記住，這將是聲音傳播的途徑。”

他們計算了超材料為了干擾傳播的聲波需要具有的尺寸和規格，防止聲音 - 而不是空氣 - 通過開放結構輻射。他們說，基本前提是超材料需要以這樣一種方式塑造，即將傳入的聲音發回到它們來自的地方。

作為測試案例，他們決定創建一種可以使揚聲器聲音靜音的結構。根據他們的計算，他們模擬了最有效地消除噪音的物理尺寸。然后他們使用3D打印創建了一個由塑料制成的開放式降噪結構。

Ghaffarivardavagh和Zhang說，這種數學設計的3D打印聲學超材料的形狀使得它可以將傳入的聲音發回到它們來自的地方。在外圈內部，螺旋形圖案干擾聲音，阻止它們通過開放中心傳播，同時保持空氣流過的能力。信用：攝影：Cydney Scott為波士頓大學拍攝

為了測試該設備，研究人員將揚聲器密封在PVC管的一端。另一方面，將定制的聲學超材料固定在開口中。揚聲器通過管道吹出了一個音調，但是從外面聽到了人耳聽不見的聲音。

圍繞管口內部周邊的超材料，就像一個靜音按鈕一樣，直到研究人員向下伸展并拉開它的那一刻。實驗室突然響起了揚聲器的聲音尖叫聲。

通過比較固定和不固定超材料的聲級，該團隊發現該設備能夠阻擋94％的聲音。

“我們第一次放置和移除消音器的那一刻......實際上是白天和黑夜，”該研究的共同作者Jacob Nikolajczyk說。“我們幾個月來一直在計算機建模中看到這些結果 - 但在計算機上看到模擬的聲壓級是一回事，而另一個則是自己聽到它的影響。”

現在他們的原型已經證明是如此有效，研究人員對于他們的聲學沉默超材料如何開始工作使現實世界更安靜有一些重要的想法。

“無人機是一個非常熱門的話題，”工程學院教授張新說。“像亞馬遜這樣的公司有興趣使用無人機來提供貨物，她說，”人們抱怨潛在的噪音。“

“我們可以將外形設計成立方體或六邊形，任何真正的東西，”該研究的共同作者Reza Ghaffarivardavagh說。“我們的結構非常輕巧，開放，美觀。每件都可以用作瓷磚或磚塊，以便擴大規模并建造一個可以消除聲音的透水墻。”

該研究發表在“ 物理評論 ”雜志上。