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世界首个三维声学隐形斗篷诞生 能让声波偏转

作者:声学小编 来源:未知 日期:2015-01-03 15:00 人气:

 
  隐身斗篷或者隐身衣,无论是视觉隐形,还是无线电探测隐形,大家都不陌生。时报在2013年曾报道过兰州大学发明的隐形衣。而如今,能让物体在声波上隐形的隐形衣,也在现实中诞生。

  据英国工程师网站3月12日报道,美国杜克大学的工程师们,展示了世界上第一个三维声学隐形斗篷。该设备可以使声波绕过,斗篷内任何东西都无法被声波探测。这项技术在回避声呐探测或者控制礼堂的音响方面,或许有不小的潜力。该项研究被发表在《自然——材料》上。


偏转声波实现隐身
  声音在传播过程中,遇到障碍物会发生反射,生物界中的不少动物,也会利用这种手段来定位、识别等。而人类虽然自身没有这一功能,但利用设备,这一原理也被发挥了出来。

   由于电磁波在水中衰减的速率非常高,无法作为侦测的讯号来源,以声波探测水面下的人造物体,成为运用最广泛的手段。无论是潜艇或是水面船只,都利用这项技术的衍生系统,来探测水下的物体,或是以其作为导航的依据。于是探测水下目标的技术——声呐技术便应运而生。

  那如果能让声波在遇到物体,比如水下潜艇时,不发生反射,而是偏转然后按照原来的路线传播,让潜艇“隐形”呢?这样的原理看上去和电磁波隐身衣差不多,就像兰州大学信息科学与工程学院副教授梅中磊之前解释的那样,整个过程就像小溪里的流水,经过石头时,会绕过石头再合拢向前,如同没有遇到石头一样,使得仪器显示物体不存在了,也就实现了“隐形”。之前报道的隐身斗篷是偏移光线,而这次的新发明则是能够偏转声波。
 
  北卡罗莱纳杜克大学电气和计算机工程教授史蒂文•坎默表示,该斗篷的特殊之处在于针对声波隐藏对象,“如果在物体上覆盖这个斗篷后,声波就像能够直接穿透其外表一样,原先存在的物体好像那里什么也不存在似的,而仅是有一个平面,声波则按照自己的路线进行传播。”

  在研制这种材料时,关键在于声波实际是以不同的方向和速度进行传播。坎默教授说,“起初我们遇到了难题,我们没有发现一种能够具备多种介质特性的材料。例如在水中或空气中,声波的传播速度,在各方向上是不一致的。为了实现其一致性,是很麻烦的事情。”

  之后,坎默教授意识到,如果研制一种复合型材料,有可能会克服之前的难题,能够在不同的介质中做到声波偏转后按原路线传播。因此,坎默教授和他的同事转向超材料,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。

躲避声呐、优化音乐厅效果
  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于声呐回避和建筑声学上。

  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。

  坎默教授在一份声明中说:“我们建造的结构看起来简单,但我向你保证,这是一个非常复杂的结构,而且比看起来有趣。我们把大量的精力投入到计算声波将如何与之交互作用,这并不是一蹴而就的事情。”

  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。

  今后这种新材料最显著的应用就是隐形潜艇,躲避敌方声呐定位仪的探测。目前的声呐定位仪可能通过声波探测水下目标。“我们在空气中进行了测试,水下声波也类似,所以一个显而易见的潜在应用是回避声呐。”坎默教授说。

  除此之外,该材料还能够用于音乐厅和剧院等建筑。坎默教授还表示:“如果在音乐厅建造中使用该材料,将能够实现结构与听觉上的完美平衡。建筑师们将不必考虑建筑因素是否会影响听觉效果。”

  也有人打趣道,这项技术或许还能够用来阻挡隔壁工作间那些饶舌的同事所带来的噪音污染。

  据了解,这项研究受到了来自美国海军研究办公室和美国陆军研究办公室的多学科大学研究计划资助。


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电磁波隐形斗篷

  说到隐形斗篷,大家估计都会想到《哈利•波特》里的那件神奇的斗篷,其实,这种斗篷是隐形界中的一小部分——它隐掉的是可见光,而可见光则是电磁波中比较小的一部分。当然要想达到电影里那样的隐身效果,目前暂没办法做到。

  其实,还有一个设备大家也同样会很熟悉——隐形飞机。它就是利用各种技术,减弱雷达反射波、红外辐射等特征信息,使敌方探测系统不易发现,这个是在微波波段上的隐形。

  还有其他一些波段,比如直流电、交流电等。为了在这些波段上实现隐形,不少科学家都在奋斗,想要达到完美的隐身效果。
在地震中隐形

  2010年4月,法国马赛菲涅耳研究所的斯特凡•伊诺克及其研究小组所研究的便是“地震斗篷”,能够让冲击波、暴风浪或者海啸,在所遮蔽的物体面前变成“瞎子”,进而达到保护建筑物的目的。

  这种概念上的隐形斗篷,将由几个大型同心塑料环制成,塑料环将紧贴地面。为了让面波平稳地通过塑料环,科学家必须对环的硬度和弹性进行密切控制。穿过这个斗篷的地震波,将被压缩成在压力和密度方面均处于极小程度的波动,进而能够沿着一条快速通道传播。这条通道可以被设计成弓形,通过调整塑料环的特性,引导地震波远离斗篷内的物体。一旦离开斗篷,地震波便立即回到最初的强度。
让船隐藏行踪前行

  2011年,杜克大学工程师亚罗斯拉夫•乌尔朱莫夫和大卫•史密斯提出一种方法,使轮船在水中航行的时候隐身——小型引水叶片组成的网络和围绕在轮船底部的水泵。

  当轮船向前行驶的时候,它带着水一起前行,并且在背后留下水纹。这套奇妙装置将在船头抽上水来,在船上控制水流,并且在船尾放掉水。船后面释放的水流,将以船头水流相同的速度前行而且方向不变。结果就会使船在不干扰水流的情况下,在水面上穿行。隐身的轮船能够移动得更加迅速,因为周围的水带给它的阻力很小。船尾没有痕迹,也使它更难以被追踪。
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