該大學(xué)的機械工程師加法里瓦爾達瓦格（RezaGhaffarivardavagh）說：“今天隔音用的音障實際上是厚重的墻壁。”盡管被稱為隔音擋板的降噪路障有助于降低高峰時段的交通高峰引起的噪音，不會太影響你聽交響曲，但它們?nèi)匀皇且环N笨拙的方法，不太適合那些必須需要空氣流通的情況。

“我們能設(shè)計一種既能阻擋噪音又能保持空氣流通的結(jié)構(gòu)嗎？“

想象一下，如果堵住噴氣發(fā)動機的排氣口，飛機就永遠不會離開地面。相反，在停機坪上工作的人都戴著耳塞，以防聽到震耳欲聾的轟鳴聲。

一個誘人的問題拋給了研究人員：“我們能設(shè)計一種既能阻擋噪音又能保持空氣流通的結(jié)構(gòu)嗎？“

依靠他們的數(shù)學(xué)能力和3D打印技術(shù)，他們可以。這項研究成果已經(jīng)發(fā)表在《物理評論》上。
  

                   喧囂的城市生活

“我一直對聲學(xué)感興趣，”加法里瓦爾達瓦格說，他在伊朗德黑蘭謝里夫理工大學(xué)完成了機械工程學(xué)士學(xué)位，后來來到波士頓大學(xué)攻讀研究生。現(xiàn)在，在張教授的實驗室里，加法里瓦爾達瓦格快要完成博士學(xué)位了。“我喜歡做一些我能聽到或看到結(jié)果的事情。我可以對我們現(xiàn)在面臨的問題產(chǎn)生影響。”

在來到波士頓之前，張教授和加法里瓦爾達瓦格以前都在其他大城市生活過，他們一直對波士頓的城市噪音情況感到驚奇。在波士頓，城市的嘈雜聲混雜在一起，從頭頂飛過的飛機、汽車、卡車和公共汽車的引擎和喇叭、MBTA手推車的隆隆聲和刺耳聲，以及建筑設(shè)備和電源的嗡嗡聲。

“如果我們希望結(jié)構(gòu)內(nèi)部是開放的，那么我們必須記住，這將是聲音傳播的途徑。”

他們說，城市生活是如此嘈雜，你必須找到一種方法來創(chuàng)造安靜的時刻。

這讓他們想到了一種一不尋常的聲音擋板，它根本不是一個常規(guī)的屏障，而是一個開放的管道。這種發(fā)現(xiàn)只能通過開發(fā)一種具有不尋常和非自然特性的材料（稱為超材料）才能實現(xiàn)，在這種情況下，這種材料能夠?qū)β曇艉吐晫W(xué)超材料產(chǎn)生特別的影響。

“我從事超材料研究已經(jīng)有十多年了，”張教授說，他是工程學(xué)院和光子學(xué)中心的多學(xué)科教授。“但正是加法里逐漸讓我對聲學(xué)和超材料結(jié)合的基本概念更加興奮。如果你問我和我的同事，你就會知道，聲學(xué)超材料是一個相對新的方向……它是未來。”

                       靜音揚聲器

Ghaffarivardavagh和Zhang他們對數(shù)學(xué)學(xué)科共同的熱情激勵了他們的工程事業(yè)，并使他們成為非常適合的研究伙伴，引導(dǎo)他們朝著一個可行的設(shè)計方向，搞清楚的聲學(xué)超材料將是什么樣子。

“聲音是由空氣中微小的振動產(chǎn)生的。所以，我們的目標是讓這些微小的振動安靜下來。“如果我們希望結(jié)構(gòu)內(nèi)部是開放的，那么我們必須記住，這將是聲音傳播的途徑。”

他們計算了超材料需要具備的尺寸和規(guī)格，以便干擾傳播的聲波，防止聲音而不是空氣通過開放式結(jié)構(gòu)輻射。他們說，最基本的前提是超材料的形狀需要能夠?qū)魅氲穆曇舭l(fā)送回它們來自的地方。

作為一個測試案例，他們決定創(chuàng)造一種可以使揚聲器的聲音靜音的結(jié)構(gòu)。根據(jù)他們的計算，他們建立了能夠最有效地消除噪音的物理尺寸模型。為了使這些模型栩栩如生，他們使用3D打印技術(shù)來實現(xiàn)一個由塑料制成的開放的、消除噪音的結(jié)構(gòu)。

“如果我們能在無人機的機翼下面安裝這種消聲開放式結(jié)構(gòu)，我們就能消除向地面輻射的聲音。”

實驗室里試驗，研究人員把揚聲器密封在一根聚氯乙烯管的一端。在另一端，他們把特制的聲學(xué)超材料固定在開口處。隨著開始按鈕的按下，實驗揚聲器在實驗室里非常安靜。站在房間里，根據(jù)你自己的聽覺，你都沒有聽到知道揚聲器實際上已經(jīng)發(fā)出了一個令人惱火的高音音符。然而，如果你凝視著PVC管，你會看到擴音器的低音炮嗡嗡作響。

這種超材料，環(huán)繞著管子口的內(nèi)部周界，像一個無聲的按鈕化身，直到伽法利瓦爾達瓦格伸手把它拔出來的那一刻。實驗室突然聽到擴音器的尖聲回響。

“我們從第一次放置和取出消音器的那一刻開始……實際一直在日夜不停的做實驗，”Jacob Nikolajczyk說，他除了是一名研究合作者和張教授的實驗室的前本科生研究人員外，還是一名充滿激情的聲樂表演者。

“數(shù)月來，我們在計算機建模中看到了這些結(jié)果，但在計算機上看到模擬的聲壓級是一回事，而自己去聽它的影響是另一回事。”

通過對比有無固定的超材料的聲級，研究小組發(fā)現(xiàn)，他們幾乎可以使噪音降低94%，準確地說是，人們幾乎聽不到從揚聲器發(fā)出的聲音。

                     展望未來

既然他們的原型已經(jīng)被證明是如此有效，研究人員對他們的消聲超材料如何使現(xiàn)實世界變得更安靜有了一些重要的想法。

“無人駕駛飛機是一個非常熱門的話題，”張教授表示。她說，像亞馬遜這樣的公司有興趣使用無人機來運送貨物，“但是人們可能對潛在的噪音非常擔(dān)心。”

“罪魁禍首是機翼的運動，”加法里瓦爾達瓦格說。“如果我們能在無人機機翼下面設(shè)置消聲開放式結(jié)構(gòu)，我們就能消除向地面輻射的聲音。”

靠近家或辦公室的風(fēng)扇和暖通空調(diào)系統(tǒng)可以從聲學(xué)超材料中受益，這些材料使它們保持沉默，但仍允許冷熱空氣在整個建筑中無阻礙地循環(huán)。

Ghaffarivardavagh和Zhang還指出，如今用于減少交通噪音污染的隔音屏障很不雅觀，并為美學(xué)升級騰出空間。“我們的結(jié)構(gòu)超輕、開放、美觀。他們說：“每一塊磚都可以用作瓦片或磚式消音，我們可以擴大規(guī)模，建造一堵隔音、透氣的消音墻。”

“消聲超材料的形狀，根據(jù)他們的方法，也是完全可定制的，”加法里瓦爾達瓦格說。外部零件不需要是圓形的環(huán)才能發(fā)揮作用。

他說：“我們可以把外部形狀設(shè)計成立方體或六邊形，或設(shè)計成任何真正的形狀。”“當(dāng)我們想要建造一堵墻的時候，我們會變成六邊形”，就像一個露天的蜂窩結(jié)構(gòu)。

這樣的墻壁有助于容納多種類型的噪音。甚至那些來自核磁共振機器的強烈振動，張教授表示 。

據(jù)醫(yī)學(xué)院放射學(xué)教授斯蒂芬·安德森（Stephan Anderson）介紹，這種聲學(xué)超材料可能會縮放到“適合核磁共振成像儀的中心孔”，從而在成像過程中保護患者免受聲音的影響。

張教授認為，這種可能性是無止境的，因為研究人員可以定制適合幾乎任何環(huán)境的降噪方法：“我們的想法是，現(xiàn)在我們可以用數(shù)學(xué)方法設(shè)計出一個可以阻擋任何聲音的物體。”