世界首個(gè)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(lái)源： 日期：2015-01-03 15:00 人氣：
隱身斗篷或者隱身衣，無(wú)論是視覺(jué)隱形，還是無(wú)線電探測(cè)隱形，大家都不陌生。時(shí)報(bào)在2013年曾報(bào)道過(guò)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(guó)工程師網(wǎng)站3月12日?qǐng)?bào)道，美國(guó)杜克大學(xué)的工程師們，展示了世界上第一個(gè)三維聲學(xué)隱形斗篷。該設(shè)備可以使聲波繞過(guò)，斗篷內(nèi)任何東西都無(wú)法被聲波探測(cè)。這項(xiàng)技術(shù)在回避聲吶探測(cè)或者控制禮堂的音響方面，或許有不小的潛力。該項(xiàng)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(guò)程中，遇到障礙物會(huì)發(fā)生反射，生物界中的不少動(dòng)物，也會(huì)利用這種手段來(lái)定位、識(shí)別等。而人類(lèi)雖然自身沒(méi)有這一功能，但利用設(shè)備，這一原理也被發(fā)揮了出來(lái)。
由于電磁波在水中衰減的速率非常高，無(wú)法作為偵測(cè)的訊號(hào)來(lái)源，以聲波探測(cè)水面下的人造物體，成為運(yùn)用最廣泛的手段。無(wú)論是潛艇或是水面船只，都利用這項(xiàng)技術(shù)的衍生系統(tǒng)，來(lái)探測(cè)水下的物體，或是以其作為導(dǎo)航的依據(jù)。于是探測(cè)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(shí)，不發(fā)生反射，而是偏轉(zhuǎn)然后按照原來(lái)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(gè)過(guò)程就像小溪里的流水，經(jīng)過(guò)石頭時(shí)，會(huì)繞過(guò)石頭再合攏向前，如同沒(méi)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(bào)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(jì)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(duì)聲波隱藏對(duì)象，“如果在物體上覆蓋這個(gè)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(gè)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(shí)，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。坎默教授說(shuō)，“起初我們遇到了難題，我們沒(méi)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(shí)到，如果研制一種復(fù)合型材料，有可能會(huì)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(lái)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(lái)后，該設(shè)備看起來(lái)就像幾個(gè)重復(fù)模式的帶孔塑料基板堆在一起，類(lèi)似于一個(gè)金字塔。
躲避聲吶、優(yōu)化音樂(lè)廳效果
這個(gè)聲隱身設(shè)備可以在三維任何一個(gè)角度起作用，無(wú)論聲音是來(lái)自哪個(gè)方向或觀察者的位置在哪里。該設(shè)備未來(lái)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(méi)有物體的錯(cuò)覺(jué)，斗篷必須改變聲波的軌跡，以匹配反射到平面上的樣子。因?yàn)槁曇魺o(wú)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(shuō)：“我們建造的結(jié)構(gòu)看起來(lái)簡(jiǎn)單，但我向你保證，這是一個(gè)非常復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，而且比看起來(lái)有趣。我們把大量的精力投入到計(jì)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(cè)試隱身設(shè)備，研究人員用斗篷蓋住一個(gè)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(guò)的視頻。實(shí)驗(yàn)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(gè)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(cè)。目前的聲吶定位儀可能通過(guò)聲波探測(cè)水下目標(biāo)。“我們?cè)诳諝庵羞M(jìn)行了測(cè)試，水下聲波也類(lèi)似，所以一個(gè)顯而易見(jiàn)的潛在應(yīng)用是回避聲吶。”坎默教授說(shuō)。
除此之外，該材料還能夠用于音樂(lè)廳和劇院等建筑。坎默教授還表示：“如果在音樂(lè)廳建造中使用該材料，將能夠?qū)崿F(xiàn)結(jié)構(gòu)與聽(tīng)覺(jué)上的完美平衡。建筑師們將不必考慮建筑因素是否會(huì)影響聽(tīng)覺(jué)效果。”
也有人打趣道，這項(xiàng)技術(shù)或許還能夠用來(lái)阻擋隔壁工作間那些饒舌的同事所帶來(lái)的噪音污染。
據(jù)了解，這項(xiàng)研究受到了來(lái)自美國(guó)海軍研究辦公室和美國(guó)陸軍研究辦公室的多學(xué)科大學(xué)研究計(jì)劃資助。
●相關(guān)
電磁波隱形斗篷
說(shuō)到隱形斗篷，大家估計(jì)都會(huì)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(jiàn)光，而可見(jiàn)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(méi)辦法做到。
其實(shí)，還有一個(gè)設(shè)備大家也同樣會(huì)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(cè)系統(tǒng)不易發(fā)現(xiàn)，這個(gè)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(guó)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(gè)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(guò)塑料環(huán)，科學(xué)家必須對(duì)環(huán)的硬度和彈性進(jìn)行密切控制。穿過(guò)這個(gè)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(dòng)，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(jì)成弓形，通過(guò)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(kāi)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(shí)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(shí)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(lái)，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(huì)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(dòng)得更加迅速，因?yàn)橹車(chē)乃畮Ыo它的阻力很小。船尾沒(méi)有痕跡，也使它更難以被追蹤。
據(jù)英國(guó)工程師網(wǎng)站3月12日?qǐng)?bào)道，美國(guó)杜克大學(xué)的工程師們，展示了世界上第一個(gè)三維聲學(xué)隱形斗篷。該設(shè)備可以使聲波繞過(guò)，斗篷內(nèi)任何東西都無(wú)法被聲波探測(cè)。這項(xiàng)技術(shù)在回避聲吶探測(cè)或者控制禮堂的音響方面，或許有不小的潛力。該項(xiàng)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(guò)程中，遇到障礙物會(huì)發(fā)生反射，生物界中的不少動(dòng)物，也會(huì)利用這種手段來(lái)定位、識(shí)別等。而人類(lèi)雖然自身沒(méi)有這一功能，但利用設(shè)備，這一原理也被發(fā)揮了出來(lái)。
由于電磁波在水中衰減的速率非常高，無(wú)法作為偵測(cè)的訊號(hào)來(lái)源，以聲波探測(cè)水面下的人造物體，成為運(yùn)用最廣泛的手段。無(wú)論是潛艇或是水面船只，都利用這項(xiàng)技術(shù)的衍生系統(tǒng)，來(lái)探測(cè)水下的物體，或是以其作為導(dǎo)航的依據(jù)。于是探測(cè)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(shí)，不發(fā)生反射，而是偏轉(zhuǎn)然后按照原來(lái)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(gè)過(guò)程就像小溪里的流水，經(jīng)過(guò)石頭時(shí)，會(huì)繞過(guò)石頭再合攏向前，如同沒(méi)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(bào)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(jì)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(duì)聲波隱藏對(duì)象，“如果在物體上覆蓋這個(gè)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(gè)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(shí)，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。坎默教授說(shuō)，“起初我們遇到了難題，我們沒(méi)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(shí)到，如果研制一種復(fù)合型材料，有可能會(huì)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(lái)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(lái)后，該設(shè)備看起來(lái)就像幾個(gè)重復(fù)模式的帶孔塑料基板堆在一起，類(lèi)似于一個(gè)金字塔。
躲避聲吶、優(yōu)化音樂(lè)廳效果
這個(gè)聲隱身設(shè)備可以在三維任何一個(gè)角度起作用，無(wú)論聲音是來(lái)自哪個(gè)方向或觀察者的位置在哪里。該設(shè)備未來(lái)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(méi)有物體的錯(cuò)覺(jué)，斗篷必須改變聲波的軌跡，以匹配反射到平面上的樣子。因?yàn)槁曇魺o(wú)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(shuō)：“我們建造的結(jié)構(gòu)看起來(lái)簡(jiǎn)單，但我向你保證，這是一個(gè)非常復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，而且比看起來(lái)有趣。我們把大量的精力投入到計(jì)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(cè)試隱身設(shè)備，研究人員用斗篷蓋住一個(gè)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(guò)的視頻。實(shí)驗(yàn)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(gè)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(cè)。目前的聲吶定位儀可能通過(guò)聲波探測(cè)水下目標(biāo)。“我們?cè)诳諝庵羞M(jìn)行了測(cè)試，水下聲波也類(lèi)似，所以一個(gè)顯而易見(jiàn)的潛在應(yīng)用是回避聲吶。”坎默教授說(shuō)。
除此之外，該材料還能夠用于音樂(lè)廳和劇院等建筑。坎默教授還表示：“如果在音樂(lè)廳建造中使用該材料，將能夠?qū)崿F(xiàn)結(jié)構(gòu)與聽(tīng)覺(jué)上的完美平衡。建筑師們將不必考慮建筑因素是否會(huì)影響聽(tīng)覺(jué)效果。”
也有人打趣道，這項(xiàng)技術(shù)或許還能夠用來(lái)阻擋隔壁工作間那些饒舌的同事所帶來(lái)的噪音污染。
據(jù)了解，這項(xiàng)研究受到了來(lái)自美國(guó)海軍研究辦公室和美國(guó)陸軍研究辦公室的多學(xué)科大學(xué)研究計(jì)劃資助。
●相關(guān)
電磁波隱形斗篷
說(shuō)到隱形斗篷，大家估計(jì)都會(huì)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(jiàn)光，而可見(jiàn)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(méi)辦法做到。
其實(shí)，還有一個(gè)設(shè)備大家也同樣會(huì)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(cè)系統(tǒng)不易發(fā)現(xiàn)，這個(gè)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(guó)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(gè)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(guò)塑料環(huán)，科學(xué)家必須對(duì)環(huán)的硬度和彈性進(jìn)行密切控制。穿過(guò)這個(gè)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(dòng)，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(jì)成弓形，通過(guò)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(kāi)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(shí)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(shí)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(lái)，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(huì)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(dòng)得更加迅速，因?yàn)橹車(chē)乃畮Ыo它的阻力很小。船尾沒(méi)有痕跡，也使它更難以被追蹤。
