宽带声学隐身斗篷的原理与应用

彭聪 孙悦 郭姗姗

【摘要】本文介绍了声学隐身斗篷的原理、应用及其发展现状，为宽带声学隐身斗篷的研究提供设计理论与应用指导。

【关键词】宽带 隐身斗篷

一、研究背景

声波与电磁波一样，属于经典波的范畴，描述二者传播情况的基本方程具有相似性，坐标变换理论同样适用于声学领域，2006年，Milton等人最早将坐标变换理论拓展到声学领域，并证明普通弹性波方程并不具有坐标变换协变性。2007年，Cummer等人在对比二维声波方程与二维TE模电磁波方程的基础上提出了二维变换声学理论，并设计了一种二维声波斗篷，显著地降低入射波的散射，实现了声隐身。Chen等人提出三维变换声学理论，设计了一种三维声波斗篷，并通过严格声散射理论证明其完美隐身效果。在本文中，我们主要介绍了声学隐身斗篷的原理、应用及其发展现状，为宽带声学隐身斗篷的设计提供理论指导。

二、声隐声斗篷的原理及其应用

（一）声隐身斗篷原理

（1）椭圆柱形隐声斗篷。在椭圆柱坐标系下，将隐身斗篷沿着一定方向在一定范围内离散为N层，使得所有的椭圆都具有相同的焦点，每一层介质在此方向上都是均匀的，从而消除材料在此方向上的非均匀性。在此基础上，根据等效介质理论，将两种各向同性流体介质等效为具有横观各向同性密度的一种介质，使得层状流体介质呈周期性排列，再通过二次离散就可以得到一个理想的椭圆柱隐身衣模型。其可使刚性圆形散射声场明显减弱的同时外部波阵而保持原来特性不变，而隐身斗篷内部波阵面发生弯曲，从而达到声隐身效果。该类型隐身斗篷可以通过改变椭圆层数来达到声隐身的效果，对于检测声波频率以及选择性消声也有一定的研究意义。

（2）圆柱声形隐身斗篷。对原坐标系进行变换后，在新坐标系中心的小圆区域将会被隐身，任何放置在其中的物体都无法被外界探测到。而小圆外面的环形区域填充的材料就是通过变换声学计算出来的特定物质。这种材料的作用就是使得声波曲线传播绕过中心小圆区域，并且把打到环形隐身壳层的入射声波无散射的进行传播。而通过结合压电薄片下声学空腔有效负密度可以任意控制该特性，且通过反馈控制量频率曲线可以对主动声学超材料进行有效地控制，就可以得到该材料，再通过多层复合材料结构的二维声隐身斗篷设计思想，即可得到满足声隐身斗篷需要的各层材料的有效密度，设计得到主动声学超材料下的无限长圆柱声隐身斗篷。

（3）超透镜声隐身斗篷。采用拉伸变换和折叠映射方法设计的一种由单负材料构成的声隐身传感器多层结构，单负材料与背景媒质及被隐身的散射体无关，从而极大的简化了实验上隐身的难度。当每层材料厚度远小于入射波波长时，这个多层结构将设计声隐身斗篷所需的材料数量降到最低，可以有效地消除由被隐身物体造成的大部分散射，显著地降低在实验上真正实现声学隐身的技术难度，并且能让被隐身的物体探测到入射波的信号，在隐身物体的同时，这个物体可以无失真的获得周围环境信息。

（4）地毯式声隐身斗篷。设计地毯隐身斗篷需要材料的质量密度是非均匀各向异性的，而体积弹性模量也是非均匀的。这与圆柱形隐身斗篷类似，在实验上实现难度是非常大。一般的操作是让其中一个有效材料参数保持不变（通常是体模量），控制另一个有效材料参数的变化（通常是质量密度），以此设计地毯式声隐身斗篷。采用两种不同的片层结构交替排列，实现了密度的各向异性，最终通过改变声波传播路径，实现对平地上突起处的隐身，由于其内部可能隐藏有物体。由于其将虚空间内一条线映射为实空间的“盲区”。通过不同的坐标变换的方法来调节变换区域媒质的密度或者声速，以便获得地毯式声隐身斗篷的隐身效果。材料参数不会出现极值。这种准保角变换的方法在优化各向异性材料方面有很大的优势。与此同时，研究人员设计了两种方法来实现声波的地毯隐身，一种方法为体积弹性模量恒定法，另一种为密度恒定法。两种方法具有大角度和宽频带特性。这两种方法对简化隐身斗篷的设计有着巨大的影响，为设计這样的隐身斗篷带来了便捷，对其实际应用具有重要的意义。

（二）声隐身斗篷应用

（1）潜艇隐身技术。由于声纳技术的快速发展，潜艇隐身问题的解决迫在眉睫，而声隐身斗篷正可以运用在该领域，将声隐身斗篷的三维模型覆盖在潜水艇周围被作为储水排水系统的主要构成部分，躲避敌方声纳定位仪的探测。这样潜艇在水下时，声波不会发生反射，而是偏转然后按照原来的路线传播，就像能够直接穿透其外表一样，让潜艇“隐形”。此外，这个三维模型是有水（或空气）加上特殊材料组成的，我们可以利用特制的望眼镜看清四周的情况，可达到类似于非双盲声隐身效果。

（2）优化音乐厅效果。三维声隐身斗篷可以在三维空间任意角度起作用，无论声音是来自哪个方向或观察者的位置在哪。一方面三维声隐身斗篷类似一个金字塔，且中间留有空隙，可以节省建筑材料，此外，构成此模型的结构可以用塑料构成，节省建筑成本，而且具有建筑学美感，可大大节省在建筑时的预算以及设计时间。另一方面它能使声波绕过，并在优化后可以达到无损的穿过此模型，如果在音乐厅建构中使用该结构，将能够实现结构与听觉上的完美平衡。建筑师们将不必再考虑建筑因素是否影响听觉效果。

三、总结

本文从设计原理与实际应用等方面出发，重点介绍了椭圆柱形隐声斗篷、圆柱声形隐身斗篷、超透镜声隐身斗篷及地毯式声隐身斗篷的原理及声隐身斗篷在潜艇声隐身与音乐厅建筑设计等方面的应用，分析了其声隐身的影响因素；在本文的研究基础上，我们将对声隐身斗篷进行更深入的探索，研究声隐身斗篷的制作过程及性能检测方法，改善国内在该领域研究的薄弱环节。