寬帶聲學(xué)隱身斗篷的原理與應(yīng)用

彭聰 孫悅 郭姍姍

【摘要】本文介紹了聲學(xué)隱身斗篷的原理、應(yīng)用及其發(fā)展現(xiàn)狀，為寬帶聲學(xué)隱身斗篷的研究提供設(shè)計(jì)理論與應(yīng)用指導(dǎo)。

【關(guān)鍵詞】寬帶 隱身斗篷

一、研究背景

聲波與電磁波一樣，屬于經(jīng)典波的范疇，描述二者傳播情況的基本方程具有相似性，坐標(biāo)變換理論同樣適用于聲學(xué)領(lǐng)域，2006年，Milton等人最早將坐標(biāo)變換理論拓展到聲學(xué)領(lǐng)域，并證明普通彈性波方程并不具有坐標(biāo)變換協(xié)變性。2007年，Cummer等人在對(duì)比二維聲波方程與二維TE模電磁波方程的基礎(chǔ)上提出了二維變換聲學(xué)理論，并設(shè)計(jì)了一種二維聲波斗篷，顯著地降低入射波的散射，實(shí)現(xiàn)了聲隱身。Chen等人提出三維變換聲學(xué)理論，設(shè)計(jì)了一種三維聲波斗篷，并通過(guò)嚴(yán)格聲散射理論證明其完美隱身效果。在本文中，我們主要介紹了聲學(xué)隱身斗篷的原理、應(yīng)用及其發(fā)展現(xiàn)狀，為寬帶聲學(xué)隱身斗篷的設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)。

二、聲隱聲斗篷的原理及其應(yīng)用

（一）聲隱身斗篷原理

（1）橢圓柱形隱聲斗篷。在橢圓柱坐標(biāo)系下，將隱身斗篷沿著一定方向在一定范圍內(nèi)離散為N層，使得所有的橢圓都具有相同的焦點(diǎn)，每一層介質(zhì)在此方向上都是均勻的，從而消除材料在此方向上的非均勻性。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)等效介質(zhì)理論，將兩種各向同性流體介質(zhì)等效為具有橫觀各向同性密度的一種介質(zhì)，使得層狀流體介質(zhì)呈周期性排列，再通過(guò)二次離散就可以得到一個(gè)理想的橢圓柱隱身衣模型。其可使剛性圓形散射聲場(chǎng)明顯減弱的同時(shí)外部波陣而保持原來(lái)特性不變，而隱身斗篷內(nèi)部波陣面發(fā)生彎曲，從而達(dá)到聲隱身效果。該類(lèi)型隱身斗篷可以通過(guò)改變橢圓層數(shù)來(lái)達(dá)到聲隱身的效果，對(duì)于檢測(cè)聲波頻率以及選擇性消聲也有一定的研究意義。

（2）圓柱聲形隱身斗篷。對(duì)原坐標(biāo)系進(jìn)行變換后，在新坐標(biāo)系中心的小圓區(qū)域?qū)?huì)被隱身，任何放置在其中的物體都無(wú)法被外界探測(cè)到。而小圓外面的環(huán)形區(qū)域填充的材料就是通過(guò)變換聲學(xué)計(jì)算出來(lái)的特定物質(zhì)。這種材料的作用就是使得聲波曲線傳播繞過(guò)中心小圓區(qū)域，并且把打到環(huán)形隱身殼層的入射聲波無(wú)散射的進(jìn)行傳播。而通過(guò)結(jié)合壓電薄片下聲學(xué)空腔有效負(fù)密度可以任意控制該特性，且通過(guò)反饋控制量頻率曲線可以對(duì)主動(dòng)聲學(xué)超材料進(jìn)行有效地控制，就可以得到該材料，再通過(guò)多層復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的二維聲隱身斗篷設(shè)計(jì)思想，即可得到滿(mǎn)足聲隱身斗篷需要的各層材料的有效密度，設(shè)計(jì)得到主動(dòng)聲學(xué)超材料下的無(wú)限長(zhǎng)圓柱聲隱身斗篷。

（3）超透鏡聲隱身斗篷。采用拉伸變換和折疊映射方法設(shè)計(jì)的一種由單負(fù)材料構(gòu)成的聲隱身傳感器多層結(jié)構(gòu)，單負(fù)材料與背景媒質(zhì)及被隱身的散射體無(wú)關(guān)，從而極大的簡(jiǎn)化了實(shí)驗(yàn)上隱身的難度。當(dāng)每層材料厚度遠(yuǎn)小于入射波波長(zhǎng)時(shí)，這個(gè)多層結(jié)構(gòu)將設(shè)計(jì)聲隱身斗篷所需的材料數(shù)量降到最低，可以有效地消除由被隱身物體造成的大部分散射，顯著地降低在實(shí)驗(yàn)上真正實(shí)現(xiàn)聲學(xué)隱身的技術(shù)難度，并且能讓被隱身的物體探測(cè)到入射波的信號(hào)，在隱身物體的同時(shí)，這個(gè)物體可以無(wú)失真的獲得周?chē)h(huán)境信息。

（4）地毯式聲隱身斗篷。設(shè)計(jì)地毯隱身斗篷需要材料的質(zhì)量密度是非均勻各向異性的，而體積彈性模量也是非均勻的。這與圓柱形隱身斗篷類(lèi)似，在實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)難度是非常大。一般的操作是讓其中一個(gè)有效材料參數(shù)保持不變（通常是體模量），控制另一個(gè)有效材料參數(shù)的變化（通常是質(zhì)量密度），以此設(shè)計(jì)地毯式聲隱身斗篷。采用兩種不同的片層結(jié)構(gòu)交替排列，實(shí)現(xiàn)了密度的各向異性，最終通過(guò)改變聲波傳播路徑，實(shí)現(xiàn)對(duì)平地上突起處的隱身，由于其內(nèi)部可能隱藏有物體。由于其將虛空間內(nèi)一條線映射為實(shí)空間的“盲區(qū)”。通過(guò)不同的坐標(biāo)變換的方法來(lái)調(diào)節(jié)變換區(qū)域媒質(zhì)的密度或者聲速，以便獲得地毯式聲隱身斗篷的隱身效果。材料參數(shù)不會(huì)出現(xiàn)極值。這種準(zhǔn)保角變換的方法在優(yōu)化各向異性材料方面有很大的優(yōu)勢(shì)。與此同時(shí)，研究人員設(shè)計(jì)了兩種方法來(lái)實(shí)現(xiàn)聲波的地毯隱身，一種方法為體積彈性模量恒定法，另一種為密度恒定法。兩種方法具有大角度和寬頻帶特性。這兩種方法對(duì)簡(jiǎn)化隱身斗篷的設(shè)計(jì)有著巨大的影響，為設(shè)計(jì)這樣的隱身斗篷帶來(lái)了便捷，對(duì)其實(shí)際應(yīng)用具有重要的意義。

（二）聲隱身斗篷應(yīng)用

（1）潛艇隱身技術(shù)。由于聲納技術(shù)的快速發(fā)展，潛艇隱身問(wèn)題的解決迫在眉睫，而聲隱身斗篷正可以運(yùn)用在該領(lǐng)域，將聲隱身斗篷的三維模型覆蓋在潛水艇周?chē)蛔鳛閮?chǔ)水排水系統(tǒng)的主要構(gòu)成部分，躲避敵方聲納定位儀的探測(cè)。這樣潛艇在水下時(shí)，聲波不會(huì)發(fā)生反射，而是偏轉(zhuǎn)然后按照原來(lái)的路線傳播，就像能夠直接穿透其外表一樣，讓潛艇“隱形”。此外，這個(gè)三維模型是有水（或空氣）加上特殊材料組成的，我們可以利用特制的望眼鏡看清四周的情況，可達(dá)到類(lèi)似于非雙盲聲隱身效果。

（2）優(yōu)化音樂(lè)廳效果。三維聲隱身斗篷可以在三維空間任意角度起作用，無(wú)論聲音是來(lái)自哪個(gè)方向或觀察者的位置在哪。一方面三維聲隱身斗篷類(lèi)似一個(gè)金字塔，且中間留有空隙，可以節(jié)省建筑材料，此外，構(gòu)成此模型的結(jié)構(gòu)可以用塑料構(gòu)成，節(jié)省建筑成本，而且具有建筑學(xué)美感，可大大節(jié)省在建筑時(shí)的預(yù)算以及設(shè)計(jì)時(shí)間。另一方面它能使聲波繞過(guò)，并在優(yōu)化后可以達(dá)到無(wú)損的穿過(guò)此模型，如果在音樂(lè)廳建構(gòu)中使用該結(jié)構(gòu)，將能夠?qū)崿F(xiàn)結(jié)構(gòu)與聽(tīng)覺(jué)上的完美平衡。建筑師們將不必再考慮建筑因素是否影響聽(tīng)覺(jué)效果。

三、總結(jié)

本文從設(shè)計(jì)原理與實(shí)際應(yīng)用等方面出發(fā)，重點(diǎn)介紹了橢圓柱形隱聲斗篷、圓柱聲形隱身斗篷、超透鏡聲隱身斗篷及地毯式聲隱身斗篷的原理及聲隱身斗篷在潛艇聲隱身與音樂(lè)廳建筑設(shè)計(jì)等方面的應(yīng)用，分析了其聲隱身的影響因素；在本文的研究基礎(chǔ)上，我們將對(duì)聲隱身斗篷進(jìn)行更深入的探索，研究聲隱身斗篷的制作過(guò)程及性能檢測(cè)方法，改善國(guó)內(nèi)在該領(lǐng)域研究的薄弱環(huán)節(jié)。