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，這樣的故事層出不窮?，F(xiàn)代科學(xué)早已對蜃景做出了解釋，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幻象，科學(xué)家們對于聲學(xué)幻象也產(chǎn)生了無限的遐想。是否有一種技術(shù)能讓我們的耳朵產(chǎn)生海市蜃樓般的錯覺？

近日，廈門大學(xué)物理系教授陳煥陽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聲學(xué)幻象的可行方案，設(shè)計出了一款“聲幻覺殼”。該裝置可以欺騙聲吶或耳朵，實現(xiàn)聲錯覺。相關(guān)研究成果近日以《三維全向聲幻覺》為題發(fā)表在《物理評論應(yīng)用》雜志上，同時被《自然》雜志作為亮點報道。

嘗試操縱看不見的聲波

聲波由聲源振動產(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，周圍的空氣分子引起一連串振動，這些振動就是聲波。聲波通過空氣等介質(zhì)傳輸?shù)蕉?，然后由神?jīng)系統(tǒng)根據(jù)振動情況轉(zhuǎn)化為大腦可辨別的信號。

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設(shè)備，是水下探測使用的主要工具。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，同時電磁波在水中衰減速率非常高，無法開展有效探測，所以利用光和電磁波來探測水下環(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。如果一個幾公斤的炸彈在深海中爆炸，在兩萬公里外還可以收到信號，低頻的聲波甚至可以穿透海底幾千米的地層?？梢哉f，在水中進行測量和觀察，迄今還未發(fā)現(xiàn)比聲波更有效的手段。

一直以來，科學(xué)家都想嘗試像操縱電磁波那樣來操縱聲波，以實現(xiàn)對聲音的隱藏或偽裝。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。科學(xué)界普遍認為，“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，科學(xué)家們從未停止探索的步伐。

2013年，德國卡爾斯魯厄大學(xué)托爾加-埃爾金和約阿希姆-費舍爾領(lǐng)導(dǎo)的科研團隊設(shè)計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人類視線的斗篷。這引起了人們對光隱身技術(shù)的關(guān)注，也燃起了科學(xué)家對“聲隱身技術(shù)”的極大興趣。

科學(xué)家們認為，要實現(xiàn)真正的隱身，僅有光隱身顯然是不夠的，聲隱身同樣重要。而隨著能實現(xiàn)光隱身技術(shù)的超材料的出現(xiàn)，理論界開始認為，可能同樣存在能夠讓物體周圍的聲音轉(zhuǎn)彎而不被反射或吸收的超材料。

陳煥陽介紹，一般理論認為，實現(xiàn)聲隱身的關(guān)鍵在于找到能讓物體周圍的聲波轉(zhuǎn)彎而不被反射或吸收的超材料。不過，真正找到這種超材料具有相當(dāng)?shù)碾y度，設(shè)計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。該團隊的相關(guān)研究則“找到了簡單的方法和設(shè)計”，即通過精準(zhǔn)調(diào)控物體散射的聲波來“欺騙”探測器，實現(xiàn)隱藏物體的目的。不僅如此，這一設(shè)計還能將目標(biāo)物識別為其他，產(chǎn)生“聲幻象”，被認為是一種“聲隱身術(shù)”的特例。

造出類似高爾夫球的“聲幻覺殼”

“形象地說，通過我們的裝置，聲吶會將一塊鐵探測為一條魚?！标悷柦榻B，“聲幻覺殼”是一個類似于高爾夫球的球形殼。當(dāng)物體放置在這個殼體內(nèi)時，探測器就會將該物體誤認為另一個物體。

早在2007年，陳煥陽就發(fā)現(xiàn)了聲波方程與直流電導(dǎo)方程的一一對應(yīng)關(guān)系，這一發(fā)現(xiàn)建立了與變換光學(xué)類似的變換聲學(xué)。此項工作入選2008年度世界物理學(xué)重大研究進展。

隨后多年，陳煥陽團隊持續(xù)在這一方向展開深入研究。團隊發(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，就可以用來替代原來所需的極端各向異性材料。經(jīng)過嚴(yán)格的解析計算，研究人員提出一種三維聲全向幻象，即通過精確地消除和重建聲場，在聲學(xué)上將一個物體“轉(zhuǎn)換”為另一個物體。

研究人員認為，高爾夫球上的凹坑形狀和大小并不固定，這蘊含著豐富的空氣動力學(xué)和表面幾何原理。實驗人員參考經(jīng)典高爾夫球的表面劃分方法,利用光敏樹脂3D打印制備了一個形似高爾夫球的“聲幻覺殼”。實驗中，當(dāng)一個物體被放置在殼內(nèi)時，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。理論預(yù)測與實驗測量結(jié)果吻合較好。

該團隊表示，這一裝置極大地簡化了材料參數(shù)，適用于不同的入射源及不同形狀，使聲錯覺在實際應(yīng)用中更加可行。這一獨特的技術(shù)在聲學(xué)器件設(shè)計和反聲吶探測偽裝等方面，有著廣闊的應(yīng)用前景。當(dāng)然，這項研究才剛剛起步，要將獨創(chuàng)的“聲幻覺殼”轉(zhuǎn)換為實用的技術(shù)，還道阻且長。

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(責(zé)編：李慧博、楊鴻光)

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