港大工程学院学者借镜量子物理 研发最优化隔音技术

在基础物理学中，广为人知的「质量定律」（Mass Law）指出：墙体越厚重，房间越安静。 然而，这一直观的规律却让设计师陷入两难——要么采用笨重的屏障阻隔噪音，要么留出通风口以保持空气流通。 更棘手的是，即便工程师尝试巧用薄型声学超材料（Acoustic Metamaterials），将其调谐至特定噪音频率以打破限制，但只要音调（频段）稍有偏差，这些材料的隔音效果便会大打折扣。 

如今，由香港大学（港大）工程学院机械工程系方绚莱教授领衔的科学研究团队找到了一条突破性的新路径。 他们将量子场论中的一条基本律引入声学领域，建构出了实现最优声散射的通用数学蓝图，为打造兼顾通风与超宽频降噪的系统开辟了全新门路。

为破解这个物理极限，研究团队跳脱了经典力学的框架，向微观的量子世界寻求灵感。 他们借鉴了原本用于揭示原子核电极化率与磁极化率与其光吸收之间关系的著名定理——“巴尔丁求和规则”（Baldin-sum-rule），并将其重构应用于宏观声波。 论文第一作者屈思超博士解释道：「我们发现，消波截面（Extinction cross section）的积分在根本上受制于散射体的静态有效质量和刚度。 我们无法在所有频率上都做到完美阻挡消音，但可以对这个有限的'散射预算'进行最优重分配，从而显著拓展范围。”

利用这一全新推导出的“声学巴尔丁求和规则”，研究人员预测出了实现异常的宽带传输损失（Transmission loss）的最佳设计条件。 他们设计了一种“法诺共振器”（Fano resonator）——这是将单一离散共振与连续背景结合的最简物理系统。 在风道实验中，与传统的吸音泡沫衬垫和亥姆霍兹共振器（Helmholtz resonators）相比，这种极简结构展现出了极为优异的宽频隔音性能。

该项研究的深远意义远非局限于实验室范畴，其应用层面十分广泛。 方绚莱教授解释：「研究的后续发展方向可以改善大众的生活质素，例如在室内可享宁静环境的同时，外界的交通噪音已被大幅降低; 医院深切治疗部内不再充斥呼吸机持续不断的轰鸣声; 飞机客舱内乘客交谈时亦无需提高声量。 令人出乎意料的是，我们的法诺结构异常简洁，它代表着实现因果最优散射所需的最小物理元件组合。」

团队表示这一通用法则为下一代通风消音器提供了切实可行的蓝图，能在不阻碍空气流通的前提下，高效阻绝噪音。

研究成果已发表于国际权威期刊《物理评论快报》（Physical Review Letters），题为《实现最优因果散射的量子巴尔丁求和规则声学类比》（“Acoustic Analogy of Quantum Baldin Sum Rule for Optimal Causal Scattering”）。 研究团队成员还包括于子雄博士[TN1] [SQ2] 、董尔谦博士及杨旻博士。

論文連結：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/dbs8-g68w

关于方绚莱教授
方教授团队的主要研究方向，是将波动物理学聚焦于亚波长尺度进行突破性研究。 研究核心为新型波功能材料与器件的先进制造设计理论。 同时，团队亦积极探索相关技术在能源转换、通讯系统及生物医学成像等领域的应用。 方教授的研究至今已成功申请逾16项专利技术，涵盖纳米与微米级制造工艺、增材制造及成像技术等领域，并实现多项技术转移至业界知名企业（如欧司朗、巴斯夫、日产汽车）及新创科技公司。

传媒查询，请联络：
香港大学工程学院
钟敏芝女士（电话：3910 3324;电邮：chungmc@hku.hk）
袁可盈女士（电话：3917 1924;电邮：natyuen@hku.hk）