世界首個三維聲學(xué)隱形斗篷誕生 能讓聲波偏轉(zhuǎn)
作者：聲學(xué)小編 來源： 日期：2015-01-03 15:00 人氣：
隱身斗篷或者隱身衣，無論是視覺隱形，還是無線電探測隱形，大家都不陌生。時報在2013年曾報道過蘭州大學(xué)發(fā)明的隱形衣。而如今，能讓物體在聲波上隱形的隱形衣，也在現(xiàn)實(shí)中誕生。
據(jù)英國工程師網(wǎng)站3月12日報道，美國杜克大學(xué)的工程師們，展示了世界上第一個三維聲學(xué)隱形斗篷。該設(shè)備可以使聲波繞過，斗篷內(nèi)任何東西都無法被聲波探測。這項技術(shù)在回避聲吶探測或者控制禮堂的音響方面，或許有不小的潛力。該項研究被發(fā)表在《自然——材料》上。
偏轉(zhuǎn)聲波實(shí)現(xiàn)隱身
聲音在傳播過程中，遇到障礙物會發(fā)生反射，生物界中的不少動物，也會利用這種手段來定位、識別等。而人類雖然自身沒有這一功能，但利用設(shè)備，這一原理也被發(fā)揮了出來。
由于電磁波在水中衰減的速率非常高，無法作為偵測的訊號來源，以聲波探測水面下的人造物體，成為運(yùn)用最廣泛的手段。無論是潛艇或是水面船只，都利用這項技術(shù)的衍生系統(tǒng)，來探測水下的物體，或是以其作為導(dǎo)航的依據(jù)。于是探測水下目標(biāo)的技術(shù)——聲吶技術(shù)便應(yīng)運(yùn)而生。
那如果能讓聲波在遇到物體，比如水下潛艇時，不發(fā)生反射，而是偏轉(zhuǎn)然后按照原來的路線傳播，讓潛艇“隱形”呢？這樣的原理看上去和電磁波隱身衣差不多，就像蘭州大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院副教授梅中磊之前解釋的那樣，整個過程就像小溪里的流水，經(jīng)過石頭時，會繞過石頭再合攏向前，如同沒有遇到石頭一樣，使得儀器顯示物體不存在了，也就實(shí)現(xiàn)了“隱形”。之前報道的隱身斗篷是偏移光線，而這次的新發(fā)明則是能夠偏轉(zhuǎn)聲波。
北卡羅萊納杜克大學(xué)電氣和計算機(jī)工程教授史蒂文•坎默表示，該斗篷的特殊之處在于針對聲波隱藏對象，“如果在物體上覆蓋這個斗篷后，聲波就像能夠直接穿透其外表一樣，原先存在的物體好像那里什么也不存在似的，而僅是有一個平面，聲波則按照自己的路線進(jìn)行傳播。”
在研制這種材料時，關(guān)鍵在于聲波實(shí)際是以不同的方向和速度進(jìn)行傳播?？材淌谡f，“起初我們遇到了難題，我們沒有發(fā)現(xiàn)一種能夠具備多種介質(zhì)特性的材料。例如在水中或空氣中，聲波的傳播速度，在各方向上是不一致的。為了實(shí)現(xiàn)其一致性，是很麻煩的事情。”
之后，坎默教授意識到，如果研制一種復(fù)合型材料，有可能會克服之前的難題，能夠在不同的介質(zhì)中做到聲波偏轉(zhuǎn)后按原路線傳播。因此，坎默教授和他的同事轉(zhuǎn)向超材料，用天然材料的重復(fù)組合模式來實(shí)現(xiàn)人工屬性。為了研制新的聲學(xué)斗篷，操控聲波行為的材料是塑料和空氣。搭建起來后，該設(shè)備看起來就像幾個重復(fù)模式的帶孔塑料基板堆在一起，類似于一個金字塔。
躲避聲吶、優(yōu)化音樂廳效果
這個聲隱身設(shè)備可以在三維任何一個角度起作用，無論聲音是來自哪個方向或觀察者的位置在哪里。該設(shè)備未來有望應(yīng)用于聲吶回避和建筑聲學(xué)上。
為了產(chǎn)生下面沒有物體的錯覺，斗篷必須改變聲波的軌跡，以匹配反射到平面上的樣子。因為聲音無法到達(dá)下表面，所以傳遞距離更短，速度必須放慢以進(jìn)行補(bǔ)償。
坎默教授在一份聲明中說：“我們建造的結(jié)構(gòu)看起來簡單，但我向你保證，這是一個非常復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，而且比看起來有趣。我們把大量的精力投入到計算聲波將如何與之交互作用，這并不是一蹴而就的事情。”
為了測試隱身設(shè)備，研究人員用斗篷蓋住一個小球體，然后從不同角度發(fā)射短的聲脈沖。他們使用麥克風(fēng)繪制聲波響應(yīng)，并制作聲波在空中通過的視頻。實(shí)驗結(jié)果顯示，該斗篷在聲波中的表現(xiàn)，如同聲波反射到一個空表面。
今后這種新材料最顯著的應(yīng)用就是隱形潛艇，躲避敵方聲吶定位儀的探測。目前的聲吶定位儀可能通過聲波探測水下目標(biāo)。“我們在空氣中進(jìn)行了測試，水下聲波也類似，所以一個顯而易見的潛在應(yīng)用是回避聲吶。”坎默教授說。
除此之外，該材料還能夠用于音樂廳和劇院等建筑?？材淌谶€表示：“如果在音樂廳建造中使用該材料，將能夠?qū)崿F(xiàn)結(jié)構(gòu)與聽覺上的完美平衡。建筑師們將不必考慮建筑因素是否會影響聽覺效果。”
也有人打趣道，這項技術(shù)或許還能夠用來阻擋隔壁工作間那些饒舌的同事所帶來的噪音污染。
據(jù)了解，這項研究受到了來自美國海軍研究辦公室和美國陸軍研究辦公室的多學(xué)科大學(xué)研究計劃資助。
●相關(guān)
電磁波隱形斗篷
說到隱形斗篷，大家估計都會想到《哈利•波特》里的那件神奇的斗篷，其實(shí)，這種斗篷是隱形界中的一小部分——它隱掉的是可見光，而可見光則是電磁波中比較小的一部分。當(dāng)然要想達(dá)到電影里那樣的隱身效果，目前暫沒辦法做到。
其實(shí)，還有一個設(shè)備大家也同樣會很熟悉——隱形飛機(jī)。它就是利用各種技術(shù)，減弱雷達(dá)反射波、紅外輻射等特征信息，使敵方探測系統(tǒng)不易發(fā)現(xiàn)，這個是在微波波段上的隱形。
還有其他一些波段，比如直流電、交流電等。為了在這些波段上實(shí)現(xiàn)隱形，不少科學(xué)家都在奮斗，想要達(dá)到完美的隱身效果。
在地震中隱形
2010年4月，法國馬賽菲涅耳研究所的斯特凡•伊諾克及其研究小組所研究的便是“地震斗篷”，能夠讓沖擊波、暴風(fēng)浪或者海嘯，在所遮蔽的物體面前變成“瞎子”，進(jìn)而達(dá)到保護(hù)建筑物的目的。
這種概念上的隱形斗篷，將由幾個大型同心塑料環(huán)制成，塑料環(huán)將緊貼地面。為了讓面波平穩(wěn)地通過塑料環(huán)，科學(xué)家必須對環(huán)的硬度和彈性進(jìn)行密切控制。穿過這個斗篷的地震波，將被壓縮成在壓力和密度方面均處于極小程度的波動，進(jìn)而能夠沿著一條快速通道傳播。這條通道可以被設(shè)計成弓形，通過調(diào)整塑料環(huán)的特性，引導(dǎo)地震波遠(yuǎn)離斗篷內(nèi)的物體。一旦離開斗篷，地震波便立即回到最初的強(qiáng)度。
讓船隱藏行蹤前行
2011年，杜克大學(xué)工程師亞羅斯拉夫•烏爾朱莫夫和大衛(wèi)•史密斯提出一種方法，使輪船在水中航行的時候隱身——小型引水葉片組成的網(wǎng)絡(luò)和圍繞在輪船底部的水泵。
當(dāng)輪船向前行駛的時候，它帶著水一起前行，并且在背后留下水紋。這套奇妙裝置將在船頭抽上水來，在船上控制水流，并且在船尾放掉水。船后面釋放的水流，將以船頭水流相同的速度前行而且方向不變。結(jié)果就會使船在不干擾水流的情況下，在水面上穿行。隱身的輪船能夠移動得更加迅速，因為周圍的水帶給它的阻力很小。船尾沒有痕跡，也使它更難以被追蹤。
據(jù)英國工程師網(wǎng)站3月12日報道，美國杜克大學(xué)的工程師們，展示了世界上第一個三維聲學(xué)隱形斗篷。該設(shè)備可以使聲波繞過，斗篷內(nèi)任何東西都無法被聲波探測。這項技術(shù)在回避聲吶探測或者控制禮堂的音響方面，或許有不小的潛力。該項研究被發(fā)表在《自然——材料》上。
偏轉(zhuǎn)聲波實(shí)現(xiàn)隱身
聲音在傳播過程中，遇到障礙物會發(fā)生反射，生物界中的不少動物，也會利用這種手段來定位、識別等。而人類雖然自身沒有這一功能，但利用設(shè)備，這一原理也被發(fā)揮了出來。
由于電磁波在水中衰減的速率非常高，無法作為偵測的訊號來源，以聲波探測水面下的人造物體，成為運(yùn)用最廣泛的手段。無論是潛艇或是水面船只，都利用這項技術(shù)的衍生系統(tǒng)，來探測水下的物體，或是以其作為導(dǎo)航的依據(jù)。于是探測水下目標(biāo)的技術(shù)——聲吶技術(shù)便應(yīng)運(yùn)而生。
那如果能讓聲波在遇到物體，比如水下潛艇時，不發(fā)生反射，而是偏轉(zhuǎn)然后按照原來的路線傳播，讓潛艇“隱形”呢？這樣的原理看上去和電磁波隱身衣差不多，就像蘭州大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院副教授梅中磊之前解釋的那樣，整個過程就像小溪里的流水，經(jīng)過石頭時，會繞過石頭再合攏向前，如同沒有遇到石頭一樣，使得儀器顯示物體不存在了，也就實(shí)現(xiàn)了“隱形”。之前報道的隱身斗篷是偏移光線，而這次的新發(fā)明則是能夠偏轉(zhuǎn)聲波。
北卡羅萊納杜克大學(xué)電氣和計算機(jī)工程教授史蒂文•坎默表示，該斗篷的特殊之處在于針對聲波隱藏對象，“如果在物體上覆蓋這個斗篷后，聲波就像能夠直接穿透其外表一樣，原先存在的物體好像那里什么也不存在似的，而僅是有一個平面，聲波則按照自己的路線進(jìn)行傳播。”
在研制這種材料時，關(guān)鍵在于聲波實(shí)際是以不同的方向和速度進(jìn)行傳播?？材淌谡f，“起初我們遇到了難題，我們沒有發(fā)現(xiàn)一種能夠具備多種介質(zhì)特性的材料。例如在水中或空氣中，聲波的傳播速度，在各方向上是不一致的。為了實(shí)現(xiàn)其一致性，是很麻煩的事情。”
之后，坎默教授意識到，如果研制一種復(fù)合型材料，有可能會克服之前的難題，能夠在不同的介質(zhì)中做到聲波偏轉(zhuǎn)后按原路線傳播。因此，坎默教授和他的同事轉(zhuǎn)向超材料，用天然材料的重復(fù)組合模式來實(shí)現(xiàn)人工屬性。為了研制新的聲學(xué)斗篷，操控聲波行為的材料是塑料和空氣。搭建起來后，該設(shè)備看起來就像幾個重復(fù)模式的帶孔塑料基板堆在一起，類似于一個金字塔。
躲避聲吶、優(yōu)化音樂廳效果
這個聲隱身設(shè)備可以在三維任何一個角度起作用，無論聲音是來自哪個方向或觀察者的位置在哪里。該設(shè)備未來有望應(yīng)用于聲吶回避和建筑聲學(xué)上。
為了產(chǎn)生下面沒有物體的錯覺，斗篷必須改變聲波的軌跡，以匹配反射到平面上的樣子。因為聲音無法到達(dá)下表面，所以傳遞距離更短，速度必須放慢以進(jìn)行補(bǔ)償。
坎默教授在一份聲明中說：“我們建造的結(jié)構(gòu)看起來簡單，但我向你保證，這是一個非常復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，而且比看起來有趣。我們把大量的精力投入到計算聲波將如何與之交互作用，這并不是一蹴而就的事情。”
為了測試隱身設(shè)備，研究人員用斗篷蓋住一個小球體，然后從不同角度發(fā)射短的聲脈沖。他們使用麥克風(fēng)繪制聲波響應(yīng)，并制作聲波在空中通過的視頻。實(shí)驗結(jié)果顯示，該斗篷在聲波中的表現(xiàn)，如同聲波反射到一個空表面。
今后這種新材料最顯著的應(yīng)用就是隱形潛艇，躲避敵方聲吶定位儀的探測。目前的聲吶定位儀可能通過聲波探測水下目標(biāo)。“我們在空氣中進(jìn)行了測試，水下聲波也類似，所以一個顯而易見的潛在應(yīng)用是回避聲吶。”坎默教授說。
除此之外，該材料還能夠用于音樂廳和劇院等建筑?？材淌谶€表示：“如果在音樂廳建造中使用該材料，將能夠?qū)崿F(xiàn)結(jié)構(gòu)與聽覺上的完美平衡。建筑師們將不必考慮建筑因素是否會影響聽覺效果。”
也有人打趣道，這項技術(shù)或許還能夠用來阻擋隔壁工作間那些饒舌的同事所帶來的噪音污染。
據(jù)了解，這項研究受到了來自美國海軍研究辦公室和美國陸軍研究辦公室的多學(xué)科大學(xué)研究計劃資助。
●相關(guān)
電磁波隱形斗篷
說到隱形斗篷，大家估計都會想到《哈利•波特》里的那件神奇的斗篷，其實(shí)，這種斗篷是隱形界中的一小部分——它隱掉的是可見光，而可見光則是電磁波中比較小的一部分。當(dāng)然要想達(dá)到電影里那樣的隱身效果，目前暫沒辦法做到。
其實(shí)，還有一個設(shè)備大家也同樣會很熟悉——隱形飛機(jī)。它就是利用各種技術(shù)，減弱雷達(dá)反射波、紅外輻射等特征信息，使敵方探測系統(tǒng)不易發(fā)現(xiàn)，這個是在微波波段上的隱形。
還有其他一些波段，比如直流電、交流電等。為了在這些波段上實(shí)現(xiàn)隱形，不少科學(xué)家都在奮斗，想要達(dá)到完美的隱身效果。
在地震中隱形
2010年4月，法國馬賽菲涅耳研究所的斯特凡•伊諾克及其研究小組所研究的便是“地震斗篷”，能夠讓沖擊波、暴風(fēng)浪或者海嘯，在所遮蔽的物體面前變成“瞎子”，進(jìn)而達(dá)到保護(hù)建筑物的目的。
這種概念上的隱形斗篷，將由幾個大型同心塑料環(huán)制成，塑料環(huán)將緊貼地面。為了讓面波平穩(wěn)地通過塑料環(huán)，科學(xué)家必須對環(huán)的硬度和彈性進(jìn)行密切控制。穿過這個斗篷的地震波，將被壓縮成在壓力和密度方面均處于極小程度的波動，進(jìn)而能夠沿著一條快速通道傳播。這條通道可以被設(shè)計成弓形，通過調(diào)整塑料環(huán)的特性，引導(dǎo)地震波遠(yuǎn)離斗篷內(nèi)的物體。一旦離開斗篷，地震波便立即回到最初的強(qiáng)度。
讓船隱藏行蹤前行
2011年，杜克大學(xué)工程師亞羅斯拉夫•烏爾朱莫夫和大衛(wèi)•史密斯提出一種方法，使輪船在水中航行的時候隱身——小型引水葉片組成的網(wǎng)絡(luò)和圍繞在輪船底部的水泵。
當(dāng)輪船向前行駛的時候，它帶著水一起前行，并且在背后留下水紋。這套奇妙裝置將在船頭抽上水來，在船上控制水流，并且在船尾放掉水。船后面釋放的水流，將以船頭水流相同的速度前行而且方向不變。結(jié)果就會使船在不干擾水流的情況下，在水面上穿行。隱身的輪船能夠移動得更加迅速，因為周圍的水帶給它的阻力很小。船尾沒有痕跡，也使它更難以被追蹤。
