磁場控制聲學材料,還能打造「聲音計算機」

南加州大學副教授王啟明（Qiming Wang）領導的研究團隊開發出一種新型智能聲學材料，能讓聲音在材料中的傳播特性按需改變。王啟明說：「傳統聲學材料，一種結構設計對應一種聲學特性，用我們這種新材料，一種結構設計可以實現多種聲學特性。」

信源︱南加州大學

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從耳機到潛艇的消聲裝置，聲音與我們的生活密不可分，我們藉助聲音來傳情達意，也通過聲音感受大千世界。聲音在不同介質傳播時特性不一樣，利用這些特性，科研人員開發出聲學「超級」材料，以更好地引導控制聲音的傳播效果，在具體應用中，可以阻斷聲音的傳播，或者讓聲音以更好地效果穿透材料。

但傳統聲學材料的難點在於幾何設計。聲學裝置大多由金屬或硬塑料構成，一旦成型，幾乎不能改動。舉個例子，潛艇都配備了消聲裝置，以阻隔潛艇內部聲音向外傳播，從而避免被敵方聲吶設備探測到，實現水下隱身，這時候，如果潛艇內的人員想要通過聲音來與外部交流就會遇到困難，因為消聲裝置把內部聲音向外傳播的路徑堵住了。

如今，南加州大學副教授王啟明（Qiming Wang）領導的研究團隊開發出一種新型智能聲學材料，能讓聲音在材料中的傳播特性按需改變。王啟明在桑尼·阿斯坦尼（Sonny Astani）土木與環境工程系任教，他說：「傳統聲學材料，一種結構設計對應一種聲學特性，用我們這種新材料，一種結構設計可以實現多種聲學特性。」

王啟明團隊還發現，這種智能材料還能實現基本電子器件的功能，例如開關和門電路，這就有可能用這種材料打造一種「聲音計算機」，實現複雜的受控聲音傳播。

單一器件內實現可調聲學特性

王啟明團隊發明的新材料由橡膠與納米鐵顆粒構成，藉助橡膠的柔性，新材料任意彎曲或對摺之後還能恢復如初，而鐵顆粒則讓新材料能響應磁場變化。

南加州大學副教授王啟明

為實現響應聲音信號的材料結構，王啟明及其團隊不斷研究材料組合，目標是讓新材料的米氏共振（Mie resonance）隨聲音信號傳輸而變化，從而讓聲音在材料中通過，或者阻礙聲音通過。

如果由新材料製成的橋墩一樣的小圓柱相互靠近，材料就會阻止聲音穿透；如果這些小「橋墩」彼此分離，聲音就能順利傳出去。

「利用外部磁場，我們讓『小橋墩』倒下或立起來，從而實現開關的狀態。」該研究的主要成員李解釋，這表明他們開發的材料能進行聲音傳播的狀態切換--傳播聲音或者阻撓聲音傳播，而且不像傳統材料那樣麻煩，傳統聲學「超級」材料要改變聲學傳播特性，要麼得有直接接觸，要麼需要壓力，才能改變其材料架構。

「聲音計算機」

現在，王啟明的團隊已經能用新材料來模擬三種基本電子元器件的功能，這三種基本電子元器件為開關、邏輯門，以及二極體。用變化的磁場控制聲音在材料中傳輸，就可以實現以上基本電子電路的功能。

我們舉幾個例子來說明。

開關功能可以體現在讓聲音的通斷上，例如降噪耳機。王啟明解釋，利用團隊開發出的新材料，就可以調整磁場以讓「米氏共振」小橋墩倒下，從而讓外部聲音通過，即降噪耳機的「透明」模式；也可以關閉磁場讓「小橋墩」站起來，從而阻止外部聲音通過。

邏輯門的原理則是根據不同輸入信號來進行決策。以潛艇為例，潛艇指揮官肯定希望根據更多信息來判斷下一步如何操控，而不是單一條件。比如，收到一個強信號與一個弱信號進行攻擊，收到兩個強信號則要逃避，為了收集上述的多種聲音信號，潛艇上通常裝配不同設備來收集信號，每種設備應對特定場景，這就需要用邏輯門為這些輸入信號來進行運算。例如，「與門（AND）」輸出為真，代表收到的兩個信號都比較強；「或門（OR）」為真，代表收到的兩個信號中有任意一個信號為真。王啟明表示，傳統聲學超級材料只能應對單一情況，要應對複合情況就要增加配置，而他們研發的新型材料，可以根據需要從「與」輸出切換至「或」輸出，在潛艇中，只要改變磁場，就能應對外界的複雜狀況，而無需額外配備其他聲學設備。

二極體是單向傳輸的器件。在聲學上，體現為聲音從高聲強向低聲強傳輸，傳統聲學超級材料也能實現這種特性，但是，在應用中不能改變其傳播方向。而王啟明團隊的新材料，則能讓聲音根據需要選擇單向傳播的方向，這種特性可以應用在潛艇的噪音偽裝，在行進時，指揮官通常希望潛艇發出的聲音沒有規律，一會兒向這個方向傳播，一會兒向另一個方向傳播，一會兒兩個方向都傳播，這就讓敵人難以探測。

王啟明篤定：「傳統聲學超材料，從來沒有這種變化的能力。」

以後的研究展望

王啟明及其團隊正在空氣中測試這種新材料，接下來，他們希望能在水下進行測試，以檢驗這種材料能否在超聲範圍內實現相同特性。

「橡膠是疏水的，所以在水下材料結構並不會改變，不過我們要測試材料在水下時還能否被磁場變化控制。」王啟明表示，水下阻力更大，會讓材料的表面增加摩擦力。

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