港大工程學院學者借鏡量子物理 研發最優化隔音技術

在基礎物理學中，廣為人知的「質量定律」（Mass Law）指出：牆體越厚重，房間越安靜。然而，這一直觀的規律卻讓設計師陷入兩難——要麼採用笨重的屏障阻隔噪音，要麼留出通風口以保持空氣流通。更棘手的是，即便工程師嘗試巧用薄型聲學超材料（Acoustic Metamaterials），將其調諧至特定噪音頻率以打破限制，但只要音調（頻段）稍有偏差，這些材料的隔音效果便會大打折扣。 

如今，由香港大學（港大）工程學院機械工程系方絢萊教授領銜的科學研究團隊找到了一條突破性的新路徑。他們將量子場論中的一條基本律引入聲學領域，建構出了實現最優聲散射的通用數學藍圖，為打造兼顧通風與超寬頻降噪的系統開闢了全新門路。

為破解這個物理極限，研究團隊跳脫了經典力學的框架，向微觀的量子世界尋求靈感。他們借鑒了原本用於揭示原子核電極化率與磁極化率與其光吸收之間關係的著名定理——「巴爾丁求和規則」（Baldin-sum-rule），並將其重構應用於宏觀聲波。論文第一作者屈思超博士解釋道：「我們發現，消波截面（Extinction cross section）的積分在根本上受制於散射體的靜態有效質量和剛度。我們無法在所有頻率上都做到完美阻擋消音，但可以對這個有限的『散射預算』進行最優重分配，從而顯著拓展範圍。」

利用這一全新推導出的「聲學巴爾丁求和規則」，研究人員預測出了實現異常的寬頻傳輸損失（Transmission loss）的最佳設計條件。他們設計了一種「法諾共振器」（Fano resonator）——這是將單一離散共振與連續背景結合的最簡物理系統。在風道實驗中，與傳統的吸音泡棉襯墊和亥姆霍茲共振器（Helmholtz resonators）相比，這種極簡結構展現出了極為優異的寬頻隔音性能。 

該項研究的深遠意義遠非局限於實驗室範疇，其應用層面十分廣泛。方絢萊教授解釋：「研究的後續發展方向可以改善大眾的生活質素，例如在室內可享寧靜環境的同時，外界的交通噪音已被大幅降低；醫院深切治療部內不再充斥呼吸機持續不斷的轟鳴聲；飛機客艙內乘客交談時亦無需提高聲量。令人出乎意料的是，我們的法諾結構異常簡潔，它代表着實現因果最優散射所需的最小物理元件組合。」

團隊表示這一通用法則為下一代通風消音器提供了切實可行的藍圖，能在不阻礙空氣流通的前提下，高效阻絕噪音。 

研究成果已發表於國際權威期刊《物理評論快報》（Physical Review Letters），題為《實現最優因果散射的量子巴爾丁求和規則聲學類比》（"Acoustic Analogy of Quantum Baldin Sum Rule for Optimal Causal Scattering"）。研究團隊成員還包括於子雄博士[TN1] [SQ2] 、董爾謙博士及楊旻博士。 

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

關於方絢萊教授
方教授團隊的主要研究方向，是將波動物理學聚焦於亞波長尺度進行突破性研究。研究核心為新型波功能材料與器件的先進製造設計理論。同時，團隊亦積極探索相關技術在能源轉換、通訊系統及生物醫學成像等領域的應用。方教授的研究至今已成功申請逾16項專利技術，涵蓋納米與微米級製造工藝、增材製造及成像技術等領域，並實現多項技術轉移至業界知名企業（如歐司朗、巴斯夫、日產汽車）及新創科技公司。 

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