在沙漠中，絕望的旅行者被沙丘間神奇的海市蜃樓所吸引。古往今來(lái)，這樣的故事層出不窮?，F(xiàn)代科學(xué)早已對(duì)蜃景做出了解釋，即其為不同密度空氣層中光線彎曲形成的光學(xué)幻景。但是人不光有眼睛，還有耳朵。除了海市蜃樓這樣的視覺(jué)幻象，科學(xué)家們對(duì)于聲學(xué)幻象也產(chǎn)生了無(wú)限的遐想。是否有一種技術(shù)能讓我們的耳朵產(chǎn)生海市蜃樓般的錯(cuò)覺(jué)？
近日，廈門(mén)大學(xué)物理系教授陳煥陽(yáng)課題組基于變換聲學(xué)和散射理論提出了一種三維全向被動(dòng)聲學(xué)幻象的可行方案，設(shè)計(jì)出了一款“聲幻覺(jué)殼”。該裝置可以欺騙聲吶或耳朵，實(shí)現(xiàn)聲錯(cuò)覺(jué)。相關(guān)研究成果近日以《三維全向聲幻覺(jué)》為題發(fā)表在《物理評(píng)論應(yīng)用》雜志上，同時(shí)被《自然》雜志作為亮點(diǎn)報(bào)道。
嘗試操縱看不見(jiàn)的聲波
聲波由聲源振動(dòng)產(chǎn)生，是聲音的傳播形式。以人的耳朵為例，當(dāng)聲音發(fā)出時(shí)，周?chē)目諝夥肿右鹨贿B串振動(dòng)，這些振動(dòng)就是聲波。聲波通過(guò)空氣等介質(zhì)傳輸?shù)蕉洌缓笥缮窠?jīng)系統(tǒng)根據(jù)振動(dòng)情況轉(zhuǎn)化為大腦可辨別的信號(hào)。
除了人耳能感受聲波，聲吶也能利用聲波。聲吶作為一種聲音探測(cè)設(shè)備，是水下探測(cè)使用的主要工具。由于光在水下的穿透力有限，即使在最清澈的海水中，人們也只能看到十幾米到幾十米內(nèi)的物體，同時(shí)電磁波在水中衰減速率非常高，無(wú)法開(kāi)展有效探測(cè)，所以利用光和電磁波來(lái)探測(cè)水下環(huán)境都并非明智之舉。相比于前兩者，聲波在水中傳播的衰減小得多。如果一個(gè)幾公斤的炸彈在深海中爆炸，在兩萬(wàn)公里外還可以收到信號(hào)，低頻的聲波甚至可以穿透海底幾千米的地層?？梢哉f(shuō)，在水中進(jìn)行測(cè)量和觀察，迄今還未發(fā)現(xiàn)比聲波更有效的手段。
一直以來(lái)，科學(xué)家都想嘗試像操縱電磁波那樣來(lái)操縱聲波，以實(shí)現(xiàn)對(duì)聲音的隱藏或偽裝。但因電磁波是矢量波，聲波是標(biāo)量波，電磁波的直流電導(dǎo)方程和聲波的聲波方程有很大的不同?？茖W(xué)界普遍認(rèn)為，“操縱光波”這樣的概念不能直接移植或推廣到其他的波動(dòng)系統(tǒng)，因此“操縱聲波”似乎不容易。
從“隱身術(shù)”到“隱聲術(shù)”
不過(guò)，科學(xué)家們從未停止探索的步伐。
2013年，德國(guó)卡爾斯魯厄大學(xué)托爾加-埃爾金和約阿希姆-費(fèi)舍爾領(lǐng)導(dǎo)的科研團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)出一種能夠彎曲光線的面料，并利用該面料，制造出了一件能夠從任何角度避開(kāi)人類(lèi)視線的斗篷。這引起了人們對(duì)光隱身技術(shù)的關(guān)注，也燃起了科學(xué)家對(duì)“聲隱身技術(shù)”的極大興趣。
科學(xué)家們認(rèn)為，要實(shí)現(xiàn)真正的隱身，僅有光隱身顯然是不夠的，聲隱身同樣重要。而隨著能實(shí)現(xiàn)光隱身技術(shù)的超材料的出現(xiàn)，理論界開(kāi)始認(rèn)為，可能同樣存在能夠讓物體周?chē)穆曇艮D(zhuǎn)彎而不被反射或吸收的超材料。
陳煥陽(yáng)介紹，一般理論認(rèn)為，實(shí)現(xiàn)聲隱身的關(guān)鍵在于找到能讓物體周?chē)穆暡ㄞD(zhuǎn)彎而不被反射或吸收的超材料。不過(guò)，真正找到這種超材料具有相當(dāng)?shù)碾y度，設(shè)計(jì)出符合水下高溫高壓特殊環(huán)境要求的超材料結(jié)構(gòu)更可謂是非常困難。該團(tuán)隊(duì)的相關(guān)研究則“找到了簡(jiǎn)單的方法和設(shè)計(jì)”，即通過(guò)精準(zhǔn)調(diào)控物體散射的聲波來(lái)“欺騙”探測(cè)器，實(shí)現(xiàn)隱藏物體的目的。不僅如此，這一設(shè)計(jì)還能將目標(biāo)物識(shí)別為其他，產(chǎn)生“聲幻象”，被認(rèn)為是一種“聲隱身術(shù)”的特例。
造出類(lèi)似高爾夫球的“聲幻覺(jué)殼”
“形象地說(shuō)，通過(guò)我們的裝置，聲吶會(huì)將一塊鐵探測(cè)為一條魚(yú)。”陳煥陽(yáng)介紹，“聲幻覺(jué)殼”是一個(gè)類(lèi)似于高爾夫球的球形殼。當(dāng)物體放置在這個(gè)殼體內(nèi)時(shí)，探測(cè)器就會(huì)將該物體誤認(rèn)為另一個(gè)物體。
早在2007年，陳煥陽(yáng)就發(fā)現(xiàn)了聲波方程與直流電導(dǎo)方程的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，這一發(fā)現(xiàn)建立了與變換光學(xué)類(lèi)似的變換聲學(xué)。此項(xiàng)工作入選2008年度世界物理學(xué)重大研究進(jìn)展。
隨后多年，陳煥陽(yáng)團(tuán)隊(duì)持續(xù)在這一方向展開(kāi)深入研究。團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)當(dāng)殼層材料參數(shù)沿矢徑方向滿足共振條件，并保證內(nèi)外邊界阻抗匹配時(shí)，就可以用來(lái)替代原來(lái)所需的極端各向異性材料。經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的解析計(jì)算，研究人員提出一種三維聲全向幻象，即通過(guò)精確地消除和重建聲場(chǎng)，在聲學(xué)上將一個(gè)物體“轉(zhuǎn)換”為另一個(gè)物體。
研究人員認(rèn)為，高爾夫球上的凹坑形狀和大小并不固定，這蘊(yùn)含著豐富的空氣動(dòng)力學(xué)和表面幾何原理。實(shí)驗(yàn)人員參考經(jīng)典高爾夫球的表面劃分方法,利用光敏樹(shù)脂3D打印制備了一個(gè)形似高爾夫球的“聲幻覺(jué)殼”。實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)一個(gè)物體被放置在殼內(nèi)時(shí)，其散射的聲波與其他物體的預(yù)期聲波相匹配，可模仿出其他物體的聲波散射場(chǎng)。理論預(yù)測(cè)與實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果吻合較好。
該團(tuán)隊(duì)表示，這一裝置極大地簡(jiǎn)化了材料參數(shù)，適用于不同的入射源及不同形狀，使聲錯(cuò)覺(jué)在實(shí)際應(yīng)用中更加可行。這一獨(dú)特的技術(shù)在聲學(xué)器件設(shè)計(jì)和反聲吶探測(cè)偽裝等方面，有著廣闊的應(yīng)用前景。當(dāng)然，這項(xiàng)研究才剛剛起步，要將獨(dú)創(chuàng)的“聲幻覺(jué)殼”轉(zhuǎn)換為實(shí)用的技術(shù)，還道阻且長(zhǎng)。
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(責(zé)編：李慧博、楊鴻光)
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