港大工程學院學者借鑑量子物理定律 研發最優化隔音技術

港大工程學院研究人員成功破解聲學領域一項長期存在的難題：如何在隔絕噪音的同時，維持新鮮空氣流通。由機械工程系方絢萊教授（Nicholas X. Fang）領導的研究團隊，將量子場論中的一項基本定律引入聲學領域，建立實現最優聲散射的通用數學框架，為研發兼顧通風與超寬頻降噪的系統開闢新方向。

在基礎物理學中，廣為人知的「質量定律」（Mass Law）指出：牆壁愈厚重，室內環境便愈寧靜。然而，這項看似簡單的定律，卻令設計師陷入兩難——要麼採用厚重的屏障阻隔噪音，要麼預留通風口以保持空氣流通。更棘手的是，即使工程師嘗試利用薄型聲學超材料（Acoustic Metamaterials），將其調校至特定噪音頻率以突破限制，但只要聲音頻率稍有偏差，材料的隔音效果便會大幅下降。

為突破這項物理限制，研究團隊跳出經典力學的框架，從微觀量子世界汲取靈感。他們借鑑了原本用於揭示原子核的電極化率、磁極化率與光吸收之間關係的著名定理——「巴爾丁求和規則」（Baldin Sum Rule），並將其重新建構，應用於宏觀聲波研究。

論文第一作者屈思超博士（Dr Sichao Qu）解釋：「我們發現，消波截面（Extinction Cross Section）的積分，從根本上受到散射體的靜態有效質量及剛度所限制。我們無法在所有頻率下都實現完美隔音，但可以對這個有限的『散射預算』進行最優分配，從而顯著擴闊有效降噪的頻率範圍。」

利用這項全新推導的「聲學巴爾丁求和規則」，研究人員預測出實現異常寬頻傳輸損失（Transmission Loss）的最佳設計條件。他們設計了一種「法諾共振器」（Fano Resonator），將單一離散共振與連續背景結合，構成最簡單的物理系統。在風道實驗中，與傳統吸音泡沫內襯及亥姆霍茲共振器（Helmholtz Resonators）相比，這種結構極為簡潔的裝置展現出卓越的寬頻隔音性能。

這項研究的意義遠不止於實驗室，其潛在應用範圍相當廣泛。方絢萊教授解釋：「研究的後續發展有望改善大眾的生活質素。例如，人們在室內享受寧靜環境的同時，室外交通噪音亦能大幅降低；醫院深切治療部不再充斥呼吸機持續運作的噪音；飛機客艙內的乘客交談時，也毋須刻意提高聲量。令人意想不到的是，我們的法諾結構異常簡潔，它代表了實現因果最優散射所需的最小物理元件組合。」

研究團隊表示，這項通用法則為下一代通風消音器提供了切實可行的設計藍圖，有望在不妨礙空氣流通的情況下，有效阻隔噪音。

研究成果已於國際權威期刊《物理評論快報》（Physical Review Letters）發表，論文題為《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）。研究團隊其他成員包括于子雄博士、董爾謙博士及楊旻博士。

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