图1 杜克大学研制的世界上第一个三维声学斗篷样品
2014年3月,美国杜克大学的工程师们展示了世界上第一个三维声学斗篷,该设备可以使声波绕过物体传播,斗篷内任何东西都无法用声波探测,从而使物体对声探测声波“透明”。这个声隐身设备可以在三维任何一个角度起作用,无论声音是来自哪个方向或观察者的位置在哪里。该设备未来有望应用在声纳回避和建筑声学上等。该斗篷的特殊之处在于针对声波隐藏对象,将这件斗篷盖在物体上,声波表现得像那里什么也没有而仅有一个平面。
为了达到这个目标,研究人员转向了超材料,用天然材料的重复组合模式来实现人工属性。为了研制新的声学斗篷,操控声波行为的材料是塑料和空气。搭建起来后,该设备看起来就像几个重复模式的带孔塑料基板堆在一起,类似于一个金字塔(如上图1)。
为了产生下面没有物体的错觉,斗篷必须改变声波的轨迹,以匹配反射到平面上的样子。因为声音无法到达下表面,所以传递距离更短,速度必须放慢以进行补偿。
研究人员表示:“声学斗篷的结构看起来简单,但是一个非常复杂的结构,而且比看起来有趣。大量的精力被投入到计算声波将如何与之交互作用。”
为了测试隐身设备,研究人员用斗篷盖住一个小球体,然后从不同角度发射短的声脉冲。他们使用麦克风绘制声波响应,并制作声波在空中通过的视频。实验结果显示该斗篷在声波中的表现如同声波反射到一个空表面。
这是2012年美国海军资助的二维“声学斗篷”的又一次突破。三维“声学斗篷”的研制成功验证了一种全新的声隐身理论,意味着一种新的隐身技术可能问世,为水下装备对抗主动声纳探测开辟了新的途径。
以前对不同的声音进行消除的技术是基于相消干扰的原理,两列声波的如果完全异相,因而其叠加就为零,这样我们就听不到声音的。而声学斗篷的原理于此有差别,它是利用声音的波形特征绕过前方的物体,并没有改变声音的形状或者方向。
二维声学斗篷原理和设计
研究人员精确地将120个圆柱体安放在一个物体周围距离其22.5厘米的位置,每个圆柱体直径在15毫米。通过这个精密设计的实验,研究人员发现在特定频率的声波(3061赫兹,约100赫兹的带宽),保持其原声源的波前模式,当这个特定的声波通过一个物体的时候,可以“优雅地滑过”物体的表面,绕过物体。研究人员表示,特定的圆柱体可以对应特定频率的声波,所以我们只要改变圆柱体的在物体周围的分布情况,比如增加圆柱体的放置数量,就可以针对另一个频率的声波,达到隐身的目的了。
近几年,隐形斗篷是科学家们非常关心的一大热点。2006年,Leonhardt [Science 312, 1777 (2006)]、Pendry等人[Science 312,1780 (2006)]提出了第一类“隐身斗篷”。他们利用坐标变换的方法,使材料具有连续变化的、各向异性的折射率,使得电磁波可以绕过材料的中心区域,从而中心区域中可以放置任何物体而对外部的电磁波无任何影响,当然也就不能被看到了,即实现了隐形。
图2【此图源自:Eur. Phys. J. Appl. Phys. 48, 20501 (2009)】
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