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任意形状边界的声学幻象
发布人:佚名 信息来源:本站原创  发布时间:2013年03月20日 点击数量:

 最近,南京大学物理学院声学研究所程建春课题组在声超常材料和声斗篷方面的研究取得进展, 最新工作发表在Scientific Reports 上(Sci Rep 3, 1427,2013)。该工作通过巧妙设计具有各向异性参数的亚波长声学结构,首次实验上实现了在任意形状边界附近自由设计声学幻象斗篷,有效改变一个物体对特定频率声波产生的散射声场,使之与另一个物体的散射场一致。换言之,在声信号的检测下,使一个物体“变成”所设计的另一个物体。
    近年来,变换声学和超常材料以及建立在这两者之上的声隐身问题在科学界引起了研究热潮。在隐身斗篷的实际制备中,如何利用特殊结构的声超常材料来实现隐身斗篷所需的特殊声学参量一直以来是一个难点,国内外研究人员围绕该问题已经开展了大量工作。然而,与仅仅消除散射的隐身斗篷相比,进一步设计与制备出能够对物体散射场进行任意调控的幻象斗篷显然更有挑战性,并且意义重大。
    在光学领域,尽管人们已经提出了少数光学幻象斗篷的设计方案,但这些幻象斗篷必须具有“双负”或随空间位置渐变的材料参数,且材料参数的空间分布需要根据具体的被隐藏物体进行设计,这极大地增加了实验上实现幻象斗篷的难度并导致其在实际应用中难以推广。而在声学领域,声学幻象斗篷的研究工作尚未开展。
    程建春小组提出了一种新的变换思路,避免了现有幻象斗篷设计中采用的坐标变换带来的材料参数复杂性,所设计的斗篷无需负参数材料,仅由易于实现的各向异性声超常材料构成。这种各向异性的亚波长结构可以把入射到其表面上的声波无反射地导入结构内部,并对声场进行压缩和拉伸。利用这一奇异特性来操控边界附近的声场,最终可达到在声学上把一个物体“变成”另一个物体的目的。此外,该结构亦可通过改变参数方便地退化为消除物体散射声场的声隐身斗篷。值得一提的是,现有的幻象斗篷均采用无限大自由空间的理想假设,与之相比,研究如何在具有任意形状边界的声学环境中隐藏和伪装一个物体显然具有更大的实际意义。这种设计具有很大的灵活性,所需材料参数与声学环境(边界形状、被隐藏物体形状和材料参数)无关,极大降低了设计与制备的难度,且能在较宽的频率范围内工作,因而具有广阔的应用前景。另外,该设计方法亦有望于应用于其他领域的隐身问题研究。(梁彬供稿)
 
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