2016年11月11日 星期五 09:15:33
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一种可以“听见”声音的织物

发表时间:2022/6/6

纤维技术的不断发展使人们能够探索传统织物更加广泛的用途。在自然界中,纤维常常起到传递声音的作用。例如,在人类听觉系统中,鼓膜负责解决耳道中的空气和内耳中的液体之间的声学阻抗不匹配,它恰好是由高模量纤维构成。鼓膜先将声压转变成中耳骨的机械振动,然后这种振动被传送到内耳的耳蜗。在耳蜗中,纤维状的毛束发生偏转,最终将机械振动转化为电信号,由神经系统接收。

受启发于听觉系统将声压转化为机械振动,再将机械振动转化为电信号的传导机制,以及纤维在听觉系统中的重要性,麻省理工学院的Yoel Fink教授团队设计了一种声学织物。与听觉系统复杂的三维结构不同,这款织物是平面状的,由织物基体与编织进去的纤维传感器组成。织物基体可像鼓膜一样高效地将声压转化为机械振动,纤维传感器可像耳蜗一样将机械振动转化为电信号。



研究发现,纤维“内硬外软”可以高效地将机械振动产生的形变能集中分布在纤芯;纤维的非对称结构可以让纤维在形变时产生更大的应变。因此,研究团队采用基于光纤生产的热拉技术,大批量制备了由6种材料组成的纤维用作传感器,这六种材料包括P(VDF-TrFE)与压电钛酸钡(BaTiO3)陶瓷颗粒复合形成的纤芯,纳米碳粉与聚乙烯复合形成的电极,铜丝电极以及SEBS弹性体。




为制备高灵敏度的声学织物,研究者设计了由棉纱(经向)和高模量Twaron长丝(纬向)交织的机织物,并以同样规格的纯棉织物为对照,将热拉纤维直接编织到织物基体中。最终发现,Twaron/棉织物的声学响应要远远高于纯棉织物,在相同声音频率下,Twaron/棉织物具有低阶机械振动模态,其诱导纤维产生更高的振动幅度,并只向一个方向发生弯曲变形。而且,经过10次机洗循环后,依旧能保持其电学特性和声学特性。




将Twaron/棉声学织物编织到服装中,该服装可以精准探测声源的方向。声源方向性监测对于佩戴助听器的人非常有帮助,有望在消除背景噪音的同时让其只听特定方向的声音,同时对于寻求监测枪声来源的执法部门也很有用。另外,在生物医学领域,该服装可以起到类似听诊器的作用,为舒适、连续、实时和长期监测人体心脏和呼吸健康状况提供了一种全新的方案。




除了感应声音外,该织物还可以播放可听的声音。两件衬衫可以实现双向声学通信,发射的语音和接收的语音之间具有匹配的时域波形和频域频谱。这有利于实现人与人间的声学通信,对失聪或听力困难的人、隐蔽通信、甚至水下通信都有很好的应用前景。


(来源:纺织导报官微)