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声学诺贝尔奖诞生 3D打印声隐身斗篷出击

2015-10-12 09:30
seele_jin
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  德国卡尔斯鲁厄大学托尔加-埃尔金和约阿希姆-费舍尔领导的一组物理学家2013年第一次设计出一种能够弯曲光线的面料,制造出一件能够从任何角度避开人类视线的斗篷,这引起了人类对隐身技术极大的兴趣,但鉴于我们不光有眼睛还有耳朵,仅有光隐身显然是不够的,声隐身的作用同样重要。

  很快,美国北卡罗莱纳杜克大学电气和计算机工程教授Steven Cummer 2014年就发表文章宣称已经研制出世界首个三维声隐身斗篷,如今随着3D打印技术的进步,这种隐身斗篷完全可以用低成本3D打印机制作出来,当然,其具体效果距离我们的想象还有很大距离。事实上,国际上有多家研究机构都在从事声隐身技术,2011年伊利诺斯大学机械科学与工程学教授尼古拉斯·方领导的研究团队也对外公开了这种声学隐形技术。由于这种技术的应用背景和军工(比如声纳探测等)紧密相关,很少有相关方面的信息发布。但实际上,声隐身技术并没有那么神秘,其原理也并非高不可攀,而且其将来在民用方面的领域也有很大的前景。

  声隐身技术最关键的还是材料问题,一般理论认为可能存在能够让物体周围的声音转弯而不反射或吸收的超材料。但是,真正找到这种超材料具有相当的难度,有些类似于低温超导的研究,如果找到这种超材料对人类来说将是极大的贡献。现在来说,声隐身主要还是寻找一种经过特殊设计的人工材料,而在寻找新材料方面的进展相对缓慢。

  伊利诺斯大学的方教授设计的是二维圆柱形外罩,这种外罩由16个声音线路构成的同心环组成,每个环拥有不同的折射指数,可以引导声波的方向。每个环拥有不同的折射指数,这就意味着声波速度从外环到内环会发生变化。根据方教授的介绍,二维圆柱形外罩基本上就是一系列由隧道相连的洞穴。声音将通过隧道进行传输,这些洞穴将会让声波减速。但当声波继续前进进入到内环时,速度会越来越快。由于加速需要能量,因此声波将改为沿外罩外环传播,在声音线路内由隧道引导。这种特殊构造的声学线路实际上就是将声波弯曲,使其环绕在隐形外罩的外层。当然他们这种实验还主要集中在40KHz到80KHz的超声频段,距离我们20KHz以下的可听声频段还很遥远。

  杜克大学的Steven Cummer教授的研究更进一步,这是许多带孔塑料板重复叠加后形成的一种类似金字塔形的物体,实验的是三维声隐身技术。其原理和上述类似,只是Steven Cummer教授采用的是更加廉价的塑料和简单的结构设计。因此西班牙巴伦西亚理工学院电气工程师何塞·桑切斯—德埃萨领导团队继续了这项实验,依靠3D打印机的帮助用塑料制作了这类斗篷。根据其在消声室的实验结果,对于8.55KHz以上的声波就产生了明显的隐身作用,这也是很大的进步,因为12KHz以下的声音我们都是可以听到的。

  国内的研究也有不少进步,但相对来说还是缓慢,特别是对于军工领域至关重要的水下声隐身技术,这还涉及到高温高压问题,找到这种材料或者符合这种环境要求的结构设计都是很困难的事情,但是突破总是瞬间的,有时候还带有一些运气成分,谁能知道一个真正的声学诺贝尔奖的到来,会砸在哪位科学家的头上呢?希望是我们国内声学领域的众多研究人员。

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