聲學(xué)隱身的案例
聲學(xué)所成功制備三維水下聲學(xué)隱身毯
6月1日，中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所噪聲與振動(dòng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究員楊軍與副研究員賈晗帶領(lǐng)的超材料研究組，在《Applied Physics Letters》在線(xiàn)發(fā)表了最新研究成果“Experimental demonstration of three-dimensional broadband underwater acoustic carpet cloak”。該研究組首次成功制備出三維水下聲學(xué)隱身毯樣品，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其隱身效果。
基于超材料的聲學(xué)隱身毯是一種以控制聲傳播路徑為手段的新型聲學(xué)隱身器件。
此前，該研究組在空氣中利用穿孔板結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了二維的聲學(xué)幻象（Journal of Applied Physics, http://dx.doi.org/10.1063/1.4775408），隨后進(jìn)一步在水下利用周期分布的銅片制備出二維的水下聲學(xué)隱身毯樣品，并通過(guò)聲場(chǎng)測(cè)量驗(yàn)證了有效性（Scientific Reports, http://www.nature.com/articles/s41598-017-00779-4）。
截至2017年底，基于超材料的新型水下隱身器件一直停留在二維狀態(tài)。然而，二維的隱身器件存在一定的局限性，從第三個(gè)方向進(jìn)行探測(cè)的聲波可以輕易發(fā)現(xiàn)隱藏目標(biāo)。
近期，該研究組通過(guò)精密的設(shè)計(jì)，利用周期性互相分隔的鋼條構(gòu)建出水下八棱錐形的三維聲學(xué)隱身毯。
在水池實(shí)驗(yàn)中，研究人員將聲學(xué)隱身毯覆蓋于被隱藏目標(biāo)上，并對(duì)回波聲場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)，這個(gè)隱身體系的聲回波信號(hào)與平整反射面的聲回波信號(hào)相一致，成功實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的聲隱藏，驗(yàn)證了該隱身毯的有效性。
此外，在不同截面上，隱身體系的回波聲場(chǎng)表現(xiàn)一致，證明三維隱身毯可以躲過(guò)任意方向的探測(cè)聲波。
圖1. 水下聲學(xué)隱身毯樣品概念圖（左）和實(shí)物圖（右）。
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6月1日，中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所噪聲與振動(dòng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究員楊軍與副研究員賈晗帶領(lǐng)的超材料研究組，在《Applied Physics Letters》在線(xiàn)發(fā)表了最新研究成果“Experimental demonstration of three-dimensional broadband underwater acoustic carpet cloak”。該研究組首次成功制備出三維水下聲學(xué)隱身毯樣品，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其隱身效果。
基于超材料的聲學(xué)隱身毯是一種以控制聲傳播路徑為手段的新型聲學(xué)隱身器件。
此前，該研究組在空氣中利用穿孔板結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了二維的聲學(xué)幻象（Journal of Applied Physics, http://dx.doi.org/10.1063/1.4775408），隨后進(jìn)一步在水下利用周期分布的銅片制備出二維的水下聲學(xué)隱身毯樣品，并通過(guò)聲場(chǎng)測(cè)量驗(yàn)證了有效性（Scientific Reports, http://www.nature.com/articles/s41598-017-00779-4）。
截至2017年底，基于超材料的新型水下隱身器件一直停留在二維狀態(tài)。然而，二維的隱身器件存在一定的局限性，從第三個(gè)方向進(jìn)行探測(cè)的聲波可以輕易發(fā)現(xiàn)隱藏目標(biāo)。
近期，該研究組通過(guò)精密的設(shè)計(jì)，利用周期性互相分隔的鋼條構(gòu)建出水下八棱錐形的三維聲學(xué)隱身毯。
在水池實(shí)驗(yàn)中，研究人員將聲學(xué)隱身毯覆蓋于被隱藏目標(biāo)上，并對(duì)回波聲場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)，這個(gè)隱身體系的聲回波信號(hào)與平整反射面的聲回波信號(hào)相一致，成功實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的聲隱藏，驗(yàn)證了該隱身毯的有效性。
此外，在不同截面上，隱身體系的回波聲場(chǎng)表現(xiàn)一致，證明三維隱身毯可以躲過(guò)任意方向的探測(cè)聲波。
圖1. 水下聲學(xué)隱身毯樣品概念圖（左）和實(shí)物圖（右）。
展開(kāi) 船舶應(yīng)用 | 如何使用自噪聲監(jiān)測(cè)系統(tǒng)管理聲學(xué)隱身？
為了確保這種新型戰(zhàn)艦的聲學(xué)隱身，BAE系統(tǒng)公司需要一個(gè)世界級(jí)的自噪聲監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。
世界級(jí)的海軍工程
BAE系統(tǒng)公司是一家全球性的國(guó)防、航空航天和安全公司，其員工遍布40多個(gè)國(guó)家/地區(qū)，與技術(shù)嫻熟的合作伙伴有著密切的合作。BAE系統(tǒng)公司在空中、海上、陸地以及網(wǎng)絡(luò)世界中提供競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)、制造和支持復(fù)雜的水面艦艇、潛艇、魚(yú)雷、雷達(dá)以及指揮和作戰(zhàn)系統(tǒng)。
26型護(hù)衛(wèi)艦是一艘旨在保護(hù)強(qiáng)大的新型航空母艦的新型戰(zhàn)艦，將取代英國(guó)的23型反潛戰(zhàn)（ASW）護(hù)衛(wèi)艦。8艘26型護(hù)衛(wèi)艦的設(shè)計(jì)使用壽命至少為25年，在2060年之前都將作為皇家海軍水面艦隊(duì)的中堅(jiān)力量。
“聲學(xué)探測(cè)和識(shí)別技術(shù)正變得越來(lái)越先進(jìn)和復(fù)雜，我們必須確保獲得符合T26嚴(yán)苛要求的尖端解決方案。”
——Andy Kellett，英國(guó)MOD的T26需求經(jīng)理
管理船舶的聲學(xué)特征
聲隱身的重要性在苛刻的海洋條件下不容小覷，因?yàn)楹Ｉ系纳Q于其未被發(fā)現(xiàn)的時(shí)間。由于其ASW角色，T26護(hù)衛(wèi)艦必須保護(hù)艦隊(duì)免受潛在入侵潛艇的威脅，因此船舶安靜并且機(jī)組人員能夠精確監(jiān)控產(chǎn)生的噪聲與振動(dòng)非常重要。聲學(xué)特征，即船舶及其船上設(shè)備和系統(tǒng)在水中產(chǎn)生的噪聲與振動(dòng)，是此類(lèi)船舶的關(guān)鍵要求，必須盡可能低，以避免被發(fā)現(xiàn)。
基本監(jiān)控
為保持聲學(xué)上的自由行動(dòng)權(quán)，應(yīng)考慮船舶的所有噪聲源，包括人員、船上設(shè)備和空化以及整個(gè)船舶的輻射噪聲特征。降低船舶的輻射噪聲特征是其戰(zhàn)術(shù)部署的關(guān)鍵因素，而自噪聲監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)于管理船舶的聲學(xué)特征至關(guān)重要。
BAE系統(tǒng)公司非常重視聲學(xué)隱身，基于早期幾個(gè)項(xiàng)目的成功經(jīng)驗(yàn)，BAE再次選擇由Brüel & Kj?r為前三艘26型護(hù)衛(wèi)艦提供商用現(xiàn)貨（COTS）的自噪聲監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（SNMS），也稱(chēng)為船體振動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備（ HVME）。
展開(kāi) 使用自噪聲監(jiān)測(cè)系統(tǒng)管理聲學(xué)隱身
為了確保這種新型戰(zhàn)艦的聲學(xué)隱身，BAE系統(tǒng)公司需要一個(gè)世界級(jí)的自噪聲監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。
世界級(jí)的海軍工程
BAE系統(tǒng)公司是一家全球性的國(guó)防、航空航天和安全公司，其員工遍布40多個(gè)國(guó)家/地區(qū)，與技術(shù)嫻熟的合作伙伴有著密切的合作。BAE系統(tǒng)公司在空中、海上、陸地以及網(wǎng)絡(luò)世界中提供競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)、制造和支持復(fù)雜的水面艦艇、潛艇、魚(yú)雷、雷達(dá)以及指揮和作戰(zhàn)系統(tǒng)。
26型護(hù)衛(wèi)艦是一艘旨在保護(hù)強(qiáng)大的新型航空母艦的新型戰(zhàn)艦，將取代英國(guó)的23型反潛戰(zhàn)（ASW）護(hù)衛(wèi)艦。8艘26型護(hù)衛(wèi)艦的設(shè)計(jì)使用壽命至少為25年，將成為20世紀(jì)60年代皇家海軍水面艦隊(duì)的支柱。
管理船舶的聲學(xué)特征
聲隱身的重要性在苛刻的海洋條件下不容小覷，因?yàn)楹Ｉ系纳Q于其未被發(fā)現(xiàn)的時(shí)間。由于其ASW角色，T26護(hù)衛(wèi)艦必須保護(hù)艦隊(duì)免受潛在入侵潛艇的影響，因此船舶安靜并且機(jī)組人員能夠精確監(jiān)控產(chǎn)生的噪聲與振動(dòng)非常重要。聲學(xué)特征，即船舶及其船上設(shè)備和系統(tǒng)在水中產(chǎn)生的噪聲與振動(dòng)，是此類(lèi)船舶的關(guān)鍵要求，必須盡可能低，以避免被發(fā)現(xiàn)。
基本監(jiān)控
為保持聲學(xué)上的自由行動(dòng)權(quán)，應(yīng)考慮船舶的所有噪聲源，包括人員、船上設(shè)備和空化以及整個(gè)船舶的輻射噪聲特征。降低船舶的輻射噪聲特征是其戰(zhàn)術(shù)部署的關(guān)鍵因素，而自噪聲監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)于管理船舶的聲學(xué)特征至關(guān)重要。
BAE系統(tǒng)公司非常重視聲學(xué)隱身，隨著早期幾個(gè)項(xiàng)目的成功，再次選擇由Brüel & Kj?r為前三艘26型護(hù)衛(wèi)艦提供商用現(xiàn)貨（COTS）自噪聲監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（SNMS），也稱(chēng)為船體振動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備（ HVME）。
26型供應(yīng)鏈總監(jiān)Chris Curtis說(shuō)：“Brüel & Kj?r之前為BAE系統(tǒng)公司提供高質(zhì)量產(chǎn)品的歷史記錄支持了HVME的合同簽訂。
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飛蛾“隱身皮毛”或能幫助人們打造更好的吸音材料
Neil表示：“胸部皮毛在所有生態(tài)相關(guān)的超聲波頻率中提供了實(shí)質(zhì)性的聲學(xué)隱身效果。飛蛾胸部的皮毛可以充當(dāng)一種輕質(zhì)的多孔吸聲器，它有助于聲學(xué)偽裝并且在面對(duì)蝙蝠的時(shí)候具有顯著的生存優(yōu)勢(shì)。”
Neil認(rèn)為，這種皮毛的聲學(xué)特征可以應(yīng)用到超薄吸聲材料等技術(shù)中。
這位科學(xué)家于本周在加拿大維多利亞舉行的第176屆美國(guó)聲學(xué)學(xué)會(huì)大會(huì)上公布了這一研究成果。
來(lái)源：高分子科學(xué)前沿
北京理工大學(xué)方岱寧院士、李營(yíng)教授團(tuán)隊(duì)Adv. Sci.綜述：智能驅(qū)動(dòng)力學(xué)先進(jìn)結(jié)構(gòu)及其構(gòu)筑原理的最新進(jìn)展
圖4 熱驅(qū)動(dòng)型智能驅(qū)動(dòng)力學(xué)超結(jié)構(gòu)
圖5 光驅(qū)動(dòng)型智能驅(qū)動(dòng)力學(xué)超結(jié)構(gòu)
圖6 磁驅(qū)動(dòng)型智能驅(qū)動(dòng)力學(xué)超結(jié)構(gòu)
論文還總結(jié)了AMMs在各種領(lǐng)域的用途：有以爬行和游泳微型機(jī)器人為代表的智能機(jī)器人領(lǐng)域；包含微流控系統(tǒng)、微型驅(qū)動(dòng)器、超疏水表面、柔性電池在內(nèi)的各種微型化系統(tǒng)；包括智能抗沖擊結(jié)構(gòu)、智能隱身斗篷、力學(xué)聲學(xué)和電磁隱身設(shè)備、智能天線(xiàn)在內(nèi)的工程機(jī)械領(lǐng)域；包括柔性電子、仿生皮膚等人工組織結(jié)構(gòu)、血管支架、靶向運(yùn)輸載體等在內(nèi)的生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。AMMs在這些領(lǐng)域都發(fā)揮著重要的作用，并且具有非常廣闊的應(yīng)用前景。隨著力學(xué)和材料學(xué)的不斷發(fā)展，未來(lái)將出現(xiàn)更多的新型智能驅(qū)動(dòng)力學(xué)超結(jié)構(gòu)，為生產(chǎn)生活提供動(dòng)力。
該綜述文章以Recent Progress in Active Mechanical Metamaterials and Construction Principles為題發(fā)表在Advanced Science上。在北京理工大學(xué)方岱寧院士的指導(dǎo)下，博士研究生齊驥翔為本文的第一作者，李營(yíng)教授和陶然副教授為本文的共同通訊作者。方岱寧院士團(tuán)隊(duì)的爆炸毀傷與先進(jìn)防護(hù)結(jié)構(gòu)小組成立于2017年，主要從事先進(jìn)防護(hù)材料與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，智能力學(xué)超結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)制造等研究。本文通訊作者李營(yíng)教授主要從事爆炸沖擊與多功能防護(hù)設(shè)計(jì)、力學(xué)超結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造等研究，擔(dān)任爆炸科學(xué)與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究部主任，中國(guó)力學(xué)學(xué)會(huì)水中爆炸動(dòng)力學(xué)組副組長(zhǎng)、航天材料標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)委員等職務(wù)，獲國(guó)家萬(wàn)人計(jì)劃青年拔尖人才、中國(guó)科協(xié)青年托舉人才、學(xué)會(huì)優(yōu)秀博士論文等等。通訊作者陶然副教授主要從事高性能復(fù)合材料，智能復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的制造工藝、力學(xué)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)等技術(shù)研究。
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