噪音，現(xiàn)代社會(huì)無處不在的“公敵”。機(jī)器轟鳴、汽車喧囂、人聲嘈雜……持續(xù)不斷的噪音不僅影響我們的心情，更會(huì)損害健康。要對抗噪音，我們需要隔音材料的幫助。
新的研究表明，一種薄如夏蟬翅膀的絲綢織物，或許能成為消除噪音的“神器”。
這項(xiàng)突破性的研究，來自美國麻省理工學(xué)院和其他機(jī)構(gòu)的跨學(xué)科合作團(tuán)隊(duì)。他們受到降噪耳機(jī)的啟發(fā)，設(shè)計(jì)了一種特殊的絲綢織物。乍一看，它與普通絲綢并無二致，薄而輕盈，手感絲滑。但織入其中的卻是一根根擁有“超能力”的壓電纖維。
抗噪織物示意圖（a.透過；b.發(fā)射；c.主動(dòng)降噪；d.振動(dòng)抑噪）（圖片來源：參考文獻(xiàn)1）
何謂壓電？
壓電效應(yīng)，源自希臘語“piezein”，意思是“壓縮”或“擠壓”。這一效應(yīng)是指某些特定的材料在受到機(jī)械應(yīng)力時(shí)，表面會(huì)產(chǎn)生電荷，從而形成電壓。這種現(xiàn)象首次被發(fā)現(xiàn)于 1880 年，由居里兄弟（Jacques 和 Pierre Curie）在研究石英晶體時(shí)觀察到。
壓電材料可以分為自然存在的晶體（如石英、鹽類晶體、某些生物材料如骨骼和 DNA）和人工合成的材料（如某些陶瓷和聚合物）。這些材料的共同特點(diǎn)是，它們的晶體結(jié)構(gòu)呈非中心對稱，這使得在外力作用下它們的晶格易發(fā)生偏移，從而在其表面積累電荷。
當(dāng)壓電效應(yīng)材質(zhì)的應(yīng)變片改變形狀后會(huì)產(chǎn)生電壓（此為夸張的示意圖）（圖片來源：維基百科）
從日常生活中的打火機(jī)和壓電點(diǎn)火爐，到高科技領(lǐng)域的醫(yī)療成像設(shè)備和精密工業(yè)傳感器，壓電技術(shù)在現(xiàn)代科技中有著廣泛的應(yīng)用。
比如在醫(yī)療領(lǐng)域，壓電材料被用于制造超聲波成像設(shè)備，這些設(shè)備可以非侵入性地觀察人體內(nèi)部結(jié)構(gòu)，是現(xiàn)代診斷技術(shù)中不可或缺的一部分。在工業(yè)應(yīng)用中，壓電傳感器能夠檢測機(jī)器的運(yùn)行狀態(tài)和健康狀況，幫助進(jìn)行維護(hù)和故障診斷。
常見的壓電效應(yīng)分為以下兩種模式
第一種模式是直接壓電效應(yīng)。當(dāng)壓電材料受到外部力量（如壓力或拉力）時(shí)，其內(nèi)部晶體結(jié)構(gòu)的變形會(huì)導(dǎo)致電荷的重新分布，進(jìn)而在材料兩端產(chǎn)生電壓。這種效應(yīng)常被用于制作傳感器和發(fā)電設(shè)備。例如，用于探測壓力變化或轉(zhuǎn)化機(jī)械能為電能。
第二種模式是逆壓電效應(yīng)。與直接壓電效應(yīng)相反，當(dāng)電壓被施加到壓電材料上時(shí)，材料會(huì)經(jīng)歷物理形變。這種效應(yīng)被廣泛應(yīng)用于精密控制系統(tǒng)（如精確驅(qū)動(dòng)器和聲學(xué)振動(dòng)器）中。逆壓電效應(yīng)使得材料可以在電信號(hào)的控制下產(chǎn)生精確的機(jī)械運(yùn)動(dòng)。上文提到的這項(xiàng)研究制成的隔音絲綢所利用的壓電纖維就是借助了逆壓電效應(yīng)。當(dāng)環(huán)境中的聲波激發(fā)壓電纖維時(shí)，這些纖維能夠?qū)⒙暡芰哭D(zhuǎn)換為電信號(hào)，然后再通過逆壓電效應(yīng)產(chǎn)生相對的機(jī)械振動(dòng)，發(fā)出反向聲波以抵消原有噪音，從而實(shí)現(xiàn)高效的噪聲控制。
神奇絲綢的“殺手锏”
隔音絲綢中的壓電纖維，先要“聽見”聲音，才能抑制聲音。這些神奇的纖維，就像是超敏感的“耳朵”，當(dāng)附近有噪音時(shí)，它們會(huì)隨著聲波振動(dòng)，并將振動(dòng)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。研究人員巧妙利用這一特點(diǎn)，讓織物化身為一臺(tái)“隱形”的麥克風(fēng)，實(shí)時(shí)捕捉周遭的聲音。
但僅僅聽見聲音還不夠，關(guān)鍵是要消除噪音。于是，科學(xué)家們再次發(fā)揮創(chuàng)意，賦予絲綢以“發(fā)聲”的技能。沒錯(cuò)，這種織物不僅能聽，還能“說話”！
通過控制壓電纖維的振動(dòng)，讓織物發(fā)出特定頻率的聲波，與不想要的噪音“打?qū)ε_(tái)”，進(jìn)行抵消。就像兩個(gè)人同時(shí)大喊大叫，聲音互相干擾，反而聽不清彼此的聲音一樣，噪音也被織物發(fā)出的反向聲波“掐滅”了。
主動(dòng)降噪技術(shù)的工作原理想象圖，上方的藍(lán)色波形代表正常音樂，下方藍(lán)色波形為背景噪聲，紅色部分為耳機(jī)主動(dòng)發(fā)出用來抵消噪聲的聲波。（圖片來源：AI合成）
除了主動(dòng)發(fā)聲，這種神奇的絲綢還有另一個(gè)“殺手锏”。要知道，聲音的產(chǎn)生和傳播，本質(zhì)上都源于振動(dòng)。如果我們能夠抑制這些振動(dòng)，就能從源頭上防止噪音的產(chǎn)生，而這正是絲綢隔音的第二種模式。
通過調(diào)節(jié)電壓，可以使壓電纖維保持靜止，從而阻斷聲波的傳遞。這種模式堪稱“噤聲利器”，能讓飛機(jī)、汽車等嘈雜的環(huán)境瞬間安靜下來。
實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)印證了絲綢織物的隔音實(shí)力。在主動(dòng)抵消模式下，它能顯著降低高達(dá) 65 分貝的噪音，相當(dāng)于把吵鬧的餐館變成了圖書館。而在抑制振動(dòng)模式下，更是能減少 75%的聲音傳播。
與看上去厚重笨拙的傳統(tǒng)隔音材料相比，這層薄如蟬翼的絲綢簡直是“斯文殺手”。
降噪絲綢（標(biāo)尺 1mm）（圖片來源：參考文獻(xiàn)1）
陰差陽錯(cuò)帶來未來科技
值得一提的是，這項(xiàng)革命性的隔音技術(shù)，初的靈感其實(shí)來自智能衣物的研發(fā)項(xiàng)目。研究人員早嘗試把壓電纖維織入服裝，用于實(shí)時(shí)檢測人體生命體征，但他們發(fā)現(xiàn)這種材料還能“聽到”噪音，由此靈光一現(xiàn)，一個(gè)全新的降噪方案應(yīng)運(yùn)而生。
這種觸類旁通正印證了科學(xué)研究的魅力所在，看似不起眼的無關(guān)發(fā)現(xiàn)，往往蘊(yùn)藏著改變世界的力量。
降噪絲綢的問世，讓噪音防控有了新的利器，但科學(xué)家們并未止步于此。他們計(jì)劃進(jìn)一步挖掘這種材料的潛力，研究如何阻隔多頻噪音，并通過調(diào)整壓電纖維的編織方式、施加電壓等參數(shù)，不斷優(yōu)化織物性能。
可以預(yù)見，經(jīng)過更多技術(shù)迭代，這種隔音絲綢有望成為集輕薄、透氣、高效、可定制于一身的降噪“萬金油”，為人們打造安靜舒適的生活和工作環(huán)境。
結(jié)語
這項(xiàng)研究的意義，不僅在于創(chuàng)造了一種新型隔音材料，更在于它所蘊(yùn)含的無限想象空間。試想，未來我們的衣服、窗簾、壁紙，都有可能用上這種“隔音絲綢”，隨時(shí)隨地營造一方寧靜天地。在這個(gè)喧囂的世界，一片小小的絲綢，或許就能帶來意想不到的改變。
讓我們拭目以待，期待這項(xiàng)黑科技早日走進(jìn)尋常百姓家，為更多人帶去久違的寧靜。
參考文獻(xiàn)
[1]Single Layer Silk and Cotton Woven Fabrics for Acoustic Emission and Active Sound Suppression, Grace H. Yang, Jinuan Lin, Henry Cheung, Guanchun Rui, Yongyi Zhao, Latika Balachander, Taigyu Joo, Hyunhee Lee, Zachary P. Smith, Lei Zhu, Chu Ma, Yoel Fink
[2]故淵：主動(dòng)降噪織物問世，可讓你的房間戴上“降噪耳機(jī)”
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