声学隐身毯回顾与展望：声学超材料的一个重要应用

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　　声学超材料
　　具有奇异声学特性人工复合结构材料的统称。通过将传统声学材料在亚波长尺度下进行微加工，然后以一定的几何形状、空间阵列进行组合而得到的声学超材料，可以获得从正数到零，甚至为负数的等效声学参数，从而实现对声波发射、传播、吸收等特性的调控。从声子晶体到局域共振型声学超材料，再到均匀型声学超材料，声学超材料的概念越来越广，使用的机理也越来越丰富，利用声学超材料实现的功能也越来越多。而变换声学概念的提出，更是将人们对声学超材料的认识与研究热情提到新的高度。利用声学超材料来制备变换声学所设计出的声学功能器件，能够从能量空间分布、传播方向等多层面实现声场调控，实现声场信息的保护、声学目标的隐匿以及声幻象效应，在噪声控制、声学换能器研制以及水下探测与反探测中具有十分重要的应用前景。

　　隐身毯 (Carpet cloak)
　　毫无疑问是其中的一个重要应用，也是近年来国际上新兴的一个科学研究热点。它是一项使物体藏匿于声场的新技术，其理念是通过在目标上覆盖隐身毯，修改目标的回波特性，使其模拟一块平面的回波，从而实现地面上物体的隐藏。在隐声毯的保护下，目标的回波特性与平面的回波特性完全相同，以目前任何声学手段都无法发现被隐藏的物体。因此，对于边界上物体的隐藏，这种隐身毯具有较强的实用性。

　　隐身毯的设想来源于“光波和电磁波斗篷”这一类研究，声学领域内很快借鉴类似的方法，提出了声学的隐身斗篷。隐身毯有3种理论模型，分别为：基于保角变换的隐身毯、基于线性变换的隐身毯和超表面的隐身毯。

　　2009年

　　基于保角变换的隐身毯

　　最先出现的是基于保角变换的隐身毯，这种利用保角变换的模型，可以最大化地减少隐身毯所需材料参数的各向异性程度，有利于实际结构的实现⁽1⁾。2009年，Liu等人⁽2⁾利用电磁波超材料构建出了二维的保角变换隐身毯，如图1A所示。通过调整不同位置处单元的参数，实现图1B所示的等效折射率分布，从而形成整体的隐身毯结构。他们对该结构进行了实验测量。测量结果显示，该隐身毯改变了散射体的回波，模拟了地面的反射，有力的证明了它的这种有效性。

　　图1 保角变换隐身毯

　　然而这种基于保角变换的隐身毯具有很明显的缺点：

　　    · 隐身毯本身的尺寸比隐藏的空间大很多(一个数量级以上);

　　    · 在具体实现过程中往往使用各向同性单元来代替隐身毯所需要的微弱各向异性介质，因此会带来波束水平偏移的现象⁽3⁾。如图2所示，原本应该沿红色虚线传播的波，实际上却沿着蓝色实线传播，两者之间存在空间上的水平偏移。

　　这两个缺点使这种隐身毯的实用性大打折扣。

　　图2 保角变换隐身毯中存在的波束偏移现象

　　2012年—2014年

　　基于线性变换的隐身毯

　　为了避免这些缺点，人们提出了基于线性变换的隐身毯。这种隐身毯要求均匀、但是各向异性的参数。随着超材料的发展，等效的各向异性流体单元已然出现在人们的视野之中⁽⁴⁾。这些各向异性单元就为实现线性变换的隐身毯带来了可能。

　　2012年，Popa等人⁽⁵⁾首次提出了空气中的二维声学隐身毯。此时的声学隐身毯不再是理论上的模型，人们开始利用超材料进行实现。如图3a所示，Popa将远小于波长的穿孔板单元按照特定的方式周期排列，从而构成了这种空气中的隐身毯模型。图3b中，他们进行了高斯脉冲斜入射的声场测量，实验结果表明，当覆盖上隐身毯后，由散射体带来的回波影区明显减弱，其回波声场更加接近于地面的回波声场，因此隐藏了凸起散射体的目标特性。

　　图3 空气中的二维声学隐身毯及其实验结果

　　类似的，中国科学院声学研究所于2013年也做出了声学隐身毯模型⁽⁶⁾。利用特定方式排列的穿孔板，可以对一块四棱柱的回波特性进行修改，如图4所示。胡文林等人在二维波导内对这种结构进行了实验测量。对于不同角度入射的声波，该结构都能较好的模拟一块平板的回波，产生一种“声幻象”的现象。

　　图4 声学隐身毯修改四棱柱的回波特性

　　2014年，Popa等人⁽⁷⁾进一步将这种空气中的隐身毯由二维扩展到三维，如图5所示。实验结果表明，当声场中存在散射体时，其散射波会对声场产生干涉，在覆盖隐身毯后，这种干涉现象明显减弱。因此这种金字塔形状的隐身毯同样具有隐藏地面目标的功能。

　　图5 空气中的三维隐身毯及其实验结果

　　2017年

　　水下隐身毯

　　人们已经具有了设计和制备空气中的隐身毯的能力，然而水下的隐身毯一直以来却仅仅存在于理论仿真之中⁽⁸⁾。利用假设的材料参数可以仿真模拟出水下隐身毯的隐身效果，却不能实际制作样品进行水下实验测量，因此水下的隐身毯一直以来都有待验证。直至2017年，中国科学院声学研究所才首次制备水下隐身毯的样品并对它进行了实验验证⁽⁹⁾，如图6所示。该研究得到了审稿人的高度评价：“The materials of the carpet cloak are very simple, which are themultilayers composed of brass and water. Both the simulations and experimentsmatch each other very well. I highly recommend to publish this paper inScientific Reports”。它的实现这为未来的水下超材料器件走向实际应用打下了坚实的基础，为水下的隐身结构设计铺平了道路。

　　图6 水下的声学隐身毯

　　未来

　　超表面波隐身毯

　　近年来，超表面隐身毯也逐渐开始流行。人们通过调节毯上的单元，控制不同位置处的回波相位，实现了一种超薄的隐身毯⁽11⁾ (skin cloak)，如图7A所示。图7B是其工作机理，在制作过程中，人们需要知道散射体的具体几何尺寸以及入射波的角度，然后根据这些参数对薄毯上的每个单元的回波幅度和相位进行逐一设计，从而在整体上控制回波声场，因此它是一种定制化的隐身毯。由其工作原理可知，该结构要求调节不同单元的回波相位，所以它只能工作于很窄的频段，对入射波的角度也有特定的要求。目前它还处于起步阶段，实用性不足，但是具有很强的发展潜力。

　　图7 超表面隐身毯

　　近几年来，超材料的蓬勃发展为人们实现对电磁波和声波的操控带来了可能。以声超材料为代表的多种新型人工材料和人工结构的发展，一定程度上促进了隐身衣研究领域新成果的产生，也为人们提供了更多可选择的隐身方式，拉近了隐身衣梦想与现实之间的距离。这种新兴的研究、设计方法，为水下的声场控制打下了基础，在噪声控制、水下探测与反探测等领域中，具有十分重要的应用前景。

　　参考文献：

　　[1] Li, J. et al. (2008). "Hidingunder the carpet: a new strategy for cloaking." Physical Review Letters101(20): 203901.


　　[2] Liu, R. et al. (2009). "Broadbandground-plane cloak." Science 323 (5912): 366-369.


　　[3] Zhang, B., et al. (2010)."Lateralshift makes a ground-plane cloak detectable." Physical Review Letters104(23): 233903.


　　[4] Torrent, et al. (2008). “Anisotropicmass density by two-dimensional acoustic metamaterials,” New Journal of Physics10(2): 023004.


　　[5] Popa, B.-I., et al. (2011)."Experimental acoustic ground cloak in air." Physical review letters106(25): 253901.


　　[6] Hu, W., et al. (2013). "Anexperimental acoustic cloak for generating virtual images." Journal ofApplied Physics 113(2): 024911.


　　[7] Zigoneanu, L., et al. (2014)."Three-dimensional broadband omnidirectional acoustic ground cloak."Nature Materials 13(4): 352-355.


　　[8] Popa, B.-I., et al. (2011)."Homogeneous and compact acoustic ground cloaks." Physical Review B83(22): 224304.


　　[9] Bi, Y., et al. (2017). "Design anddemonstration of an underwater acoustic carpet cloak." Scientific Reports,7(1): 705.


　　[10] Ni, X., et al. (2015). "Anultrathin invisibility skin cloak for visible light." Science 349(6254):1310-1314.

　　来源：中科院声学所图书馆(ID：ioa-lib)
　　原题：基于超材料的隐身毯
　　原文来自《声讯》2017年第二期《声学前沿》栏目
　　作者：中科院噪声与振动重点实验室