生活中每天都充斥着大量的声音，我们到底是怎么听到这些声音的呢？原来可听见的声音是作为轻微的压力波在空气中传播，当这些波到达我们的耳朵时，一个极其敏感和复杂的三维器官（鼓膜或耳膜）使用圆形纤维层将压力波转化为机械振动。这些振动通过小骨头进入内耳，耳蜗将这些波转换为由大脑感知和处理的电信号。
受人类听觉系统的启发，来自麻省理工学院的Yoel Fink教授团队试图创造一种柔软、耐用、舒适且能够检测声音的织物“耳朵”。如何才能做到呢？实际上通过压电纤维编织而成的织物可能会使该想法成为现实，压电纤维会响应机械应力而发电。
一些研究已经证明了使用压电材料开发可穿戴设备的潜力，但到目前为止，性能一直受到材料特性的限制。压电材料家族包括在机械振动时产生电信号的无机化合物、有机化合物和聚合物，这些材料长期以来一直用于测量应力或压力。大多数压电无机材料显示出高压电性，但它们通常是刚性的、易碎的并且难以制造成纤维。相比之下，柔性聚合物很容易加工成纤维，其形状和尺寸可以调整，但通常具有比无机化合物低得多的压电性能――比无机化合物低200倍（压电系数超过2100皮库仑/牛顿）。
科学家和工程师试图开发结合无机颗粒和聚合物的压电复合材料，以利用它们的优势并克服它们的局限性。尽管取得了一些成功，但这些混合材料的压电性能仍远低于预期。“混合物规则”通常用于预测理想复合材料的性能，但似乎在功能性压电混合材料的设计和开发中，这一规则已被打破，压电性或柔韧性以及纤维可加工性都会受到影响。
大多数由聚合物或复合材料制成的柔性压电声学传感器都可以将声音信号转换为电输出，但它们的性能对于真正的可穿戴电子产品来说是有限的。制造具有最佳压电性能的聚合物纤维的一种简单有效的策略称为热拉伸。在这个过程中，材料先被加热至柔软状态，然后以恒定的速度拉伸，最后伸长成直径均匀的纤维。拉伸和极化的结合可以产生协同效应，使大分子链及其晶体结构在形成时沿着纤维的轴定向，以及诱导电偶极子。这导致响应于机械刺激的电荷流量增加。
声学织物
鉴于此，来自麻省理工学院的Yoel Fink教授团队设计了一种织物，该织物可用作灵敏的可听麦克风，同时保留织物的传统品质，例如可机洗性和悬垂性。织物介质由棉经纬纱中的高杨氏模量纺织纱线组成，将可听频率的107个大气压的微弱压力波转换为低阶机械振动模式。织入织物的是热拉伸复合压电纤维，它与织物贴合并将机械振动转换为电信号。光纤灵敏度的关键是弹性包层，它将机械应力集中在压电复合材料层中，压电电荷系数约为46 皮库仑/牛顿。由于纤维占织物体积的比例不到0.1%，单根纤维拉丝可实现数十平方米的织物麦克风。三种不同的应用体现了这项研究的实用性：具有双声学纤维的机织衬衫测量声脉冲的精确方向，在用作声音发射器和接收器的两种织物之间建立双向通信，以及听诊心脏声音信号的衬衫。
“声学织物”设计与原理
从涉及将压力转换为机械到电激发的听觉转导序列、听觉系统中纤维的重要性，以及纤维在听觉系统中的重要性中汲取灵感，作者介绍了一种具有类似转导路径的方法，该方法利用纤维使微扰织物能够有效地将压力波转换为电输出。
该过程从构建宏观预制件开始。活性层是由压电聚（偏二氟乙烯-三氟乙烯）（P（VDF-TrFE））和压电钛酸钡（BaTiO3）陶瓷颗粒组成的复合材料。所有材料的稳定流动保持了从预制件到纤维的横截面几何形状。P(VDF-TrFE)/BaTiO3和拉制过程中形成的CPE电极之间的界面表现出良好的粘附性。纳米颗粒在粘性流动期间保持其均匀分布。热拉伸过程沿拉伸方向排列聚合物链。
声学纤维的制造和表征
一旦拉制并极化，独立的压电纤维就会对可听范围内的声波做出响应。光纤和膜机械振动模式之间的强耦合产生的电输出比独立光纤高两个数量级。输出电压（比噪声水平高几个数量级）随着声压水平的增加而线性增加，这与线性材料的典型声学响应一致。该设备被证明对声音刺激高度敏感，它的压电系数（单位面积响应应力产生的电荷）是高分子材料本身的两倍。
声学纤维膜表征
转导机制
作者将高压电系数归因于沿着排列的聚合物链形成的微小空隙，这些空隙围绕着分散良好的钛酸钡纳米粒子。在聚合物基质、颗粒和这些细长空隙之间的界面处会产生电偶极子。作者推断，偶极子数量的增加增强了声音振动产生的自发电荷。
编织声学织物的制造和表征
可听声波产生的纳米位移可以在织物中被有效地检测和放大，从而形成对声音的相干电检测。
机织吸声织物的制造和表征
声学纤维的性能和形状因数可实现广泛的应用。该柔性单纤维传感器可以编织成织物，可以接收和发出声音，识别声音的来源，甚至监测心跳。这些织物可机洗、坚固且可重复生产。
总结
本文描述了导致实现声学织物的原理、材料和机制。由此产生的织物能够有效地检测可听声音，其性能与商用麦克风相当。在声音方向检测、声学通信和心音听诊中的应用说明了该技术的广泛适用性。
