香港大學工程學院機械工程系的研究團隊，發現一項可重新定義「通風空間噪音控制極限」的物理原理，為在保持高通風率的同時大幅降低噪音提供了全新方向，可望應用於建築、交通工具及工業設施設計，實現兼具通風與靜音的環境。
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| Photo Credit: HKU |
源自「場論」的新物理原理
研究團隊由香港大學工程學院機械工程系方絢萊教授領導，他們發現一個源自場論（field theory）的概念——「對偶對稱性」（duality symmetry），其實支配著通風系統在寬頻範圍內究竟能吸收多少聲能。 這一結果發表於《Nature Communications》，並對沿用多年的「因果性約束」（causality constraint）提出挑戰——該約束一直被視為聲學材料在「厚度」與「吸收頻帶寬度」之間可達到的理論上限。
「對我來說，最令人興奮的一刻，是意識到『對偶對稱性』這個概念竟然能決定通風系統的吸收頻帶寬度，」論文第一作者、港大機械工程系研究助理教授屈思超博士說。「在此之前，對稱性與吸收頻寬是毫不相關的兩個概念，我們的推導揭示了它們之間深層的數學耦合關係。」
這項工作由香港大學與劍橋大學應用數學及理論物理系（DAMTP）的 I. David Abrahams 教授，以及總部設於香港、致力於聲學超材料商品化的 Acoustic Metamaterials Group Ltd. 工業合作夥伴共同完成。
從理論推導到實體原型
為了驗證新理論，團隊設計了一種由兩個互相連接的聲學腔體構成的「通風結構」。 該結構允許空氣自由穿過，同時利用「破壞性干涉」機制將聲能困在結構內並耗散——即由相互抵銷的聲波來削弱噪音。
實驗結果顯示，這種新型材料在 300 Hz 至 6000 Hz 的寬頻範圍內，可吸收超過 86% 的入射聲能，且在相同厚度條件下，其表現優於傳統泡棉吸音板。 研究團隊同時提出一個新的性能指標「優值指標」（Figure of Merit，FOM），用以同時量化系統在吸收頻帶、材料厚度以及通風能力三方面的整體表現，相比以往只看單一維度的衡量方式更加全面。
更廣泛的應用與影響
在建築與工程設計領域，「要通風，還是要隔音」一直是難以兩全的難題：高效吸音材料（如高密度泡棉）往往嚴重阻礙氣流，而為保留通風開口的設計又會讓噪音輕易穿透。 過去許多基於聲學超材料的方案，一旦保留有效的氣流通道，其吸收能力往往難以突破 50% 的水平。
方絢萊教授早年於麻省理工學院任教，於 2022 年加入香港大學，並因早期在具有負等效彈性模量超聲波超材料方面的開創性研究，與香港大學校長張翔教授一同獲頒 2025 年 Brillouin Medal。 今次的研究，則將這一研究脈絡進一步延伸至實際噪音控制應用領域。
團隊預期，這一原理與設計方法可廣泛應用於樓宇通風口、航空發動機短艙內襯，以及各類需要兼顧氣流與降噪的工業減振場景。 隨著人工智慧與高性能數值模擬工具的引入，未來有望加速多參數設計優化與量產產品開發，將這一理論成果轉化為可落地的大規模通風消音解決方案，釋放「寬頻通風吸音超材料」尚未被充分利用的潛力。