作者：周萍

近日，中科院聲學(xué)研究所噪聲與振動(dòng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室楊軍研究員、賈晗研究員的研究團(tuán)隊(duì)和中科院理化技術(shù)研究所微珠材料制備新工藝及其應(yīng)用技術(shù)研究組張敬杰研究員的研究團(tuán)隊(duì)將輕質(zhì)高強(qiáng)度的合成泡沫引入到Biot等效流體的設(shè)計(jì)中，通過(guò)表征和精確調(diào)控合成泡沫的聲學(xué)參數(shù)，并與鋼和水組合設(shè)計(jì)了三組分的超流體，實(shí)現(xiàn)了寬頻廣角有效的水下隱身毯。相關(guān)研究成果以題為“Underwater Carpet Cloak for Broadband and Wide-Angle Acoustic Camouflage Based on Three-component Metafluid”發(fā)表于國(guó)際學(xué)術(shù)期刊Physical Review Applied。

研究背景

聲學(xué)隱身技術(shù)，作為隱身技術(shù)的重要分支，在以聲波為主要傳播手段的海洋環(huán)境中有著重要的影響。為了躲避海洋中聲納的探測(cè)，傳統(tǒng)的隱身技術(shù)通過(guò)在目標(biāo)表面鋪設(shè)吸聲材料吸收入射聲波而不產(chǎn)生反射聲波來(lái)實(shí)現(xiàn)隱身。但當(dāng)多個(gè)聲納存在時(shí)，這一類隱身技術(shù)仍然難以逃脫暴露的命運(yùn)。近年來(lái)，隨著超材料的蓬勃發(fā)展，通過(guò)操控聲波來(lái)實(shí)現(xiàn)聲學(xué)偽裝的隱身技術(shù)引起了研究者們的廣泛關(guān)注。其中，通過(guò)模擬反射平面來(lái)實(shí)現(xiàn)隱身的聲學(xué)隱身毯，被認(rèn)為是最簡(jiǎn)易實(shí)用的隱身裝置之一。

圖片源于網(wǎng)絡(luò)

中科院聲學(xué)研究所噪聲與振動(dòng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室楊軍研究員、賈晗研究員的研究團(tuán)隊(duì)一直致力于聲學(xué)隱身技術(shù)研究，并取得了諸多成果。此前，該團(tuán)隊(duì)在空氣中利用穿孔板結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了二維的聲學(xué)幻象（http://dx.doi.org/10.1063/1.4775408）。隨后，該研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步將其擴(kuò)展到水下，分別利用周期性分布的銅片和周期性分隔的鋼條制備出了二維（http://www.nature.com/articles/s41598-017-00779-4）和三維（ https://aip.scitation.org/doi/full/10.1063/1.5026199）的聲學(xué)隱身毯，彌補(bǔ)了該研究領(lǐng)域在水下的空白。但目前已有的聲學(xué)隱身毯還存在一定的阻抗失配問(wèn)題，其在大角度入射聲波下的隱身性能仍有待提高。

研究方法與創(chuàng)新

為了實(shí)現(xiàn)寬頻廣角的水下聲隱身，研究團(tuán)隊(duì)引入輕質(zhì)高強(qiáng)度的合成泡沫，與鋼和水組合設(shè)計(jì)了三組分的超流體，實(shí)現(xiàn)了寬頻廣角有效的水下隱身毯。在設(shè)計(jì)中，研究團(tuán)隊(duì)利用四相模型對(duì)合成泡沫進(jìn)行建模，計(jì)算了合成泡沫的聲學(xué)參數(shù)隨不同材料組分比例、微珠平均壁厚和平均粒徑的變化，實(shí)現(xiàn)了對(duì)合成泡沫聲學(xué)參數(shù)的精確調(diào)控，從而達(dá)到材料參數(shù)和結(jié)構(gòu)的協(xié)同調(diào)控，以滿足隱身毯所需的各向異性參數(shù)。引入的合成泡沫由空心玻璃微珠和環(huán)氧樹(shù)脂組成，具有密度小、浮力大、抗壓強(qiáng)度高、吸水率低等特性，能承受水下數(shù)千米的壓力，被廣泛用于深海潛浮器、海底探測(cè)裝置、海洋石油鉆井平臺(tái)、海底空間站等眾多領(lǐng)域。研究團(tuán)隊(duì)首次關(guān)注到合成泡沫這一常用浮力材料的聲學(xué)性能，并創(chuàng)新性地將其引入到水下聲學(xué)隱身毯的設(shè)計(jì)中，有利于加速水下隱身技術(shù)在現(xiàn)有水下裝備上的應(yīng)用進(jìn)程。

圖1 合成泡沫的聲學(xué)表征

研究團(tuán)隊(duì)在Biot流體理論的基礎(chǔ)上，采用固體在背景流體中分散排列的結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)隱身毯所需的各向異性參數(shù)，并引入了聲學(xué)參數(shù)可調(diào)控的合成泡沫來(lái)對(duì)結(jié)構(gòu)的等效參數(shù)進(jìn)行進(jìn)一步調(diào)節(jié)。通過(guò)材料參數(shù)和結(jié)構(gòu)協(xié)同設(shè)計(jì)的方式，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)出了由合成泡沫、鋼和水組成的三組分超流體，其能完全實(shí)現(xiàn)隱身毯所需的各向異性參數(shù)。

圖2 水下隱身毯的設(shè)計(jì)與參數(shù)實(shí)現(xiàn)

通過(guò)在水中周期性地交替排列合成泡沫條和鋼條，研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了二維水下隱身毯，并在消聲水池中進(jìn)行了寬頻和斜入射的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)以水氣交界面作為反射平面，分別測(cè)試了5 kHz-15 kHz范圍內(nèi)正入射和斜入射下反射平面、散射體和隱身毯的散射聲場(chǎng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的隱身毯在寬頻和斜入射下都表現(xiàn)出了優(yōu)異的隱身性能。

圖3 寬頻廣角水下隱身毯的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

總結(jié)與展望

該工作在常規(guī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方式中引入具有可調(diào)參數(shù)的合成泡沫進(jìn)行進(jìn)一步調(diào)控，為基于超材料的聲學(xué)參數(shù)調(diào)控提供了一個(gè)新的自由度，大大拓寬了超材料所能實(shí)現(xiàn)的聲學(xué)參數(shù)范圍，有利于更多基于超材料的聲學(xué)器件的實(shí)現(xiàn)。此外，水下隱身毯的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證也為基于材料和結(jié)構(gòu)協(xié)同調(diào)控的超材料器件的實(shí)現(xiàn)提供了一個(gè)典型的例子，為水聲器件的實(shí)際工程應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

該工作第一作者為中科院聲學(xué)研究所噪聲與振動(dòng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室博士研究生周萍，該研究得到了廣東省重點(diǎn)領(lǐng)域研究開(kāi)發(fā)項(xiàng)目（No.2020B010190002）、國(guó)家自然科學(xué)基金（No.11874383, No.12104480）、聲學(xué)研究所前沿探索項(xiàng)目（No. QYTS202110）的資助。

論文鏈接：

https://journals.aps.org/prapplied/abstract/10.1103/PhysRevApplied.18.014050