聲波技術新突破:有望讓潛艇實現「隱身」!

2021-01-10 環球創新智慧

導讀

近日，瑞士洛桑聯邦理工學院與奧地利維也納技術大學以及希臘克裡特大學的研究人員一起合作，開發出一種可以使得聲波無失真地穿過無序媒介的系統。

背景

大多數天然材料都具有一種無序的原子結構，這種結構會干擾聲波和電磁波的傳播。當波與這些材料發生接觸時，波會向四周反彈並擴散開來。按照高度複雜的幹涉圖案，波的能量逐漸消散，強度逐漸減弱。這意味著通過波散射媒介完好無損地傳輸數據或者能量以及充分利用各種波技術的潛力，都幾乎是不可能的。

例如，你不妨看看自己的智慧型手機，它的地理定位功能在建築內部會受到影響，因為無線電波在建築中會向所有的方向散射。在其他的潛在應用包括：生物醫學成像和地質調查中，透過高度無序的媒介發送波，顯得非常重要。

創新

來自瑞士洛桑聯邦理工學院（EPFL）兩個實驗室的研究團隊，與奧地利維也納技術大學以及希臘克裡特大學的研究人員一起合作，開發出一種系統可以使得聲波無失真地穿過這些媒介。該系統採用微型揚聲器作為聲學中繼器抵消波散射，並且已經成功地在真實的聲學系統上進行了測試。他們的研究近日發表於《Nature Physics》期刊。

來源：Jamani Caillet / 2018 EPFL

來源：Alain Herzog / 2018 EPFL

技術

在新系統中，微型揚聲器經過控制可用於聲波的增強、減弱或者相位移動。這樣使得它們可以抵消聲波碰到障礙物時發生的散射，並重現恰好位於無序媒介的另一端的原始聲音。

它是如何工作的呢？EPFL 波工程實驗室（LWE）的領頭人、論文的合著者 Romain Fleury 表示：「我們意識到我們的聲學中繼器必須能夠在關鍵位置上改變波的幅度與相位，增強或減弱它們。」

研究人員構造了一個充滿空氣的管子，並在其中放置各種障礙物，例如：牆、多孔材料和減速彎角，從而製造出高度無序的媒介，讓聲波無法通過。然後，他們將微型揚聲器放置在障礙物之間，建立起電子控制來調整揚聲器的聲學特性。

EPFL 信號處理實驗室 2（LTS2）聲學研究小組的領頭人、論文的合著者之一的 Hervé Lissek 表示：「我們採用受控的揚聲器作為有源吸聲體已有幾年時間，所以在這種新應用中採用它們也是合情合理的。」

來源：Alain Herzog / 2018 EPFL

論文的另外一位合著者 Etienne Rivet 表示：「到目前為止，我們只需要減弱聲波。但是，在這裡我們必須開發一種新的控制機制，使我們也可以增強聲波，就像我們已經可以通過雷射增強光波一樣。」他們的新方法，在聲學中是唯一的一種，採用可編程電路實時並同時地控制幾個揚聲器。

（圖片來源：2018 EPFL）

價值

研究人員研發的有源聲學控制方法，類似於噪音消除耳機採用的方案，並有望應用於含有普通環境頻率的聲音。它也可以用於消除從潛艇等物體上返回的聲波，使得聲吶無法檢測到它們。更進一步說，構成他們研究基礎的理論是普遍的，可以類似地應用於光波或者無線電波，使得物體隱身或者透過不透明的材料拍攝圖像。

關鍵字

聲學、波、揚聲器

參考資料

【1】https://actu.epfl.ch/news/making-opaque-materials-totally-transparent/

【2】E. Rivet, A. Brandsttter, K. G. Makris, H. Lissek, S. Rotter and R. Fleury, 「Constant-pressure sound waves in non-Hermitian disordered media,」 Nature Physics, in press (2018). DOI: 10.1038/s41567-018-0188-7

【3】K. G. Makris, A. Brandsttter, P. Ambichl, Z. H. Musslimani, and S. Rotter, "Wave propagation through disordered media without backscattering and intensity variations", Light Sci. Appl. 6, e17035 (2017).

【4】E. Rivet, 「Room modal equalisation with electroacoustic absorbers,」 EPFL Ph.D. thesis No. 7166, (2016).

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