“声幻觉壳”让你感受“耳中蜃景”
时间：2023-01-18 22:10:04 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
文／符晓波
在沙漠中，绝望的旅行者被沙丘间神奇的海市蜃楼所吸引。古往今来，这样的故事层出不穷。现代科学早已对蜃景做出了解释，即其为不同密度空气层中光线弯曲形成的光学幻景。但是人不光有眼睛，还有耳朵。除了海市蜃楼这样的视觉幻象，科学家们对于声学幻象也产生了无限的遐想。是否有一种技术能让我们的耳朵产生海市蜃楼般的错觉？
近日，厦门大学物理系教授陈焕阳课题组基于变换声学和散射理论提出了一种三维全向被动声学幻象的可行方案，设计出了一款“声幻觉壳”。该装置可以欺骗声呐或耳朵，实现声错觉。相关研究成果近日以《三维全向声幻觉》为题发表在《物理评论应用》杂志上，同时被《自然》杂志作为亮点报道。
声波由声源振动产生，是声音的传播形式。以人的耳朵为例，当声音发出时，周围的空气分子引起一连串振动，这些振动就是声波。声波通过空气等介质传输到耳朵，然后由神经系统根据振动情况转化为大脑可辨别的信号。
除了人耳能感受声波，声呐也能利用声波。声呐作为一种声音探测设备，是水下探测使用的主要工具。由于光在水下的穿透力有限，即使在最清澈的海水中，人们也只能看到十几米到几十米内的物体，同时电磁波在水中衰减速率非常高，无法开展有效探测，所以利用光和电磁波来探测水下环境都并非明智之举。相比于前两者，声波在水中传播的衰减小得多。如果一个几公斤的炸弹在深海中爆炸，在两万公里外还可以收到信号，低频的声波甚至可以穿透海底几千米的地层。可以说，在水中进行测量和观察，迄今还未发现比声波更有效的手段。
一直以来，科学家都想尝试像操纵电磁波那样来操纵声波，以实现对声音的隐藏或伪装。但因电磁波是矢量波，声波是标量波，电磁波的直流电导方程和声波的声波方程有很大的不同。科学界普遍认为，“操纵光波”这样的概念不能直接移植或推广到其他的波动系统，因此“操纵声波”似乎不容易。
不过，科学家们从未停止探索的步伐。
2013年，德国卡尔斯鲁厄大学托尔加-埃尔金和约阿希姆-费舍尔领导的科研团队设计出一种能够弯曲光线的面料，并利用该面料，制造出了一件能够从任何角度避开人类视线的斗篷。这引起了人们对光隐身技术的关注，也燃起了科学家对“声隐身技术”的极大兴趣。
科学家们认为，要实现真正的隐身，仅有光隐身显然是不够的，声隐身同样重要。而随着能实现光隐身技术的超材料的出现，理论界开始认为，可能同样存在能够让物体周围的声音转弯而不被反射或吸收的超材料。
陈焕阳介绍，一般理论认为，实现声隐身的关键在于找到能让物体周围的声波转弯而不被反射或吸收的超材料。不过，真正找到这种超材料具有相当的难度，设计出符合水下高温高压特殊环境要求的超材料结构更可谓是非常困难。该团队的相关研究则“找到了简单的方法和设计”，即通过精准调控物体散射的声波来“欺骗”探测器，实现隐藏物体的目的。不仅如此，这一设计还能将目标物识别为其他，产生“声幻象”，被认为是一种“声隐身术”的特例。
“形象地说，通过我们的装置，声呐会将一块铁探测为一条鱼。”陈焕阳介绍，“声幻觉壳”是一个类似于高尔夫球的球形壳。当物体放置在这个壳体内时，探测器就会将该物体误认为另一个物体。
早在2007年，陈焕阳就发现了声波方程与直流电导方程的一一对应关系，这一发现建立了与变换光学类似的变换声学。此项工作入选2008年度世界物理学重大研究进展。
随后多年，陈焕阳团队持续在这一方向展开深入研究。团队发现当壳层材料参数沿矢径方向满足共振条件，并保证内外边界阻抗匹配时，就可以用来替代原来所需的极端各向异性材料。经过严格的解析计算，研究人员提出一种三维声全向幻象，即通过精确地消除和重建声场，在声学上将一个物体“转换”为另一个物体。
研究人员认为，高尔夫球上的凹坑形状和大小并不固定，这蕴含着丰富的空气动力学和表面几何原理。实验人员参考经典高尔夫球的表面划分方法，利用光敏树脂3D打印制备了一个形似高尔夫球的“声幻觉壳”。实验中，当一个物体被放置在壳内时，其散射的声波与其他物体的预期声波相匹配，可模仿出其他物体的声波散射场。理论预测与实验测量结果吻合较好。
该团队表示，这一装置极大地简化了材料参数，适用于不同的入射源及不同形状，使声错觉在实际应用中更加可行。这一独特的技术在声学器件设计和反声呐探测伪装等方面，有着广阔的应用前景。当然，这项研究才刚刚起步，要将独创的“声幻觉壳”转换为实用的技术，还道阻且长。
（文章来源：《科技日报》）
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