聲學(xué)超材料可通過(guò)特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)改變聲波的傳播路徑；
美國(guó)大學(xué)開(kāi)創(chuàng)“聲學(xué)斗篷”和“金屬水”兩種聲隱身的實(shí)現(xiàn)方式，帶來(lái)水下裝備隱身新方法；
美國(guó)海軍積極資助多家企業(yè)開(kāi)展聲學(xué)超材料的應(yīng)用研究，并取得顯著進(jìn)展。
一、聲學(xué)超材料可通過(guò)特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)改變聲波的傳播路徑，對(duì)躲避主動(dòng)聲納探測(cè)具有重要意義
超材料（Metamaterials）具備天然材料所不具備的某些特性，如使波“繞過(guò)”材料表面實(shí)現(xiàn)聲學(xué)隱身、光學(xué)隱身以及電磁波隱身等；其關(guān)鍵是設(shè)計(jì)，包括設(shè)計(jì)某種亞波長(zhǎng)級(jí)別的微結(jié)構(gòu)單元以及這些單元的排列規(guī)則；最終決定其物理特性（如介電常數(shù)、磁導(dǎo)率、體彈性模量和質(zhì)量密度等）的不是原材料本身的原子、分子或相互之間的作用，而是這些可與波相互作用的微結(jié)構(gòu)單元，以及這些單元按一定規(guī)則排列形成的相互作用關(guān)系。
超材料技術(shù)在雷達(dá)、電子對(duì)抗等諸多裝備技術(shù)領(lǐng)域已經(jīng)展示了巨大的應(yīng)用潛力和發(fā)展空間，其在隱身領(lǐng)域的研究也顯示具備戰(zhàn)略性重大突破的可能。美國(guó)、日本、英國(guó)等都已制定國(guó)家層面的超材料發(fā)展計(jì)劃，已開(kāi)發(fā)出隱身蒙皮、可見(jiàn)光隱身衣等隱身產(chǎn)品，而聲隱身是在近十年來(lái)才開(kāi)始引起人們的關(guān)注并開(kāi)始進(jìn)行研究的。這主要是由當(dāng)前對(duì)潛艇的水下探測(cè)主要使用主/被動(dòng)聲納，但被動(dòng)聲納對(duì)目標(biāo)定位時(shí)，測(cè)距信息不準(zhǔn)。此外，先進(jìn)潛艇聲隱身性能大幅提高，使得被動(dòng)聲納的探測(cè)效果下降。因此，利用主動(dòng)聲納定位成為探測(cè)潛艇并實(shí)施精確打擊的重要手段。美國(guó)近年來(lái)積極開(kāi)展聲學(xué)超材料的相關(guān)研究，旨在提高潛艇躲避主動(dòng)聲納探測(cè)的能力。
目前，美國(guó)已經(jīng)在聲學(xué)超材料研究中取得一定成績(jī)，目前還在資助大學(xué)和企業(yè)開(kāi)展聲學(xué)超材料的相關(guān)理論和應(yīng)用研究。此外，西班牙巴倫西亞工藝大學(xué)和德國(guó)的卡爾斯魯厄技術(shù)研究院也開(kāi)展了聲隱身超材料的理論研究。2012年英國(guó)國(guó)防部認(rèn)識(shí)到超材料在國(guó)防安全上的重要性，加大了對(duì)超材料研究的投入，研究重點(diǎn)包括聲學(xué)超材料在隱身上的應(yīng)用。
二、美國(guó)多所大學(xué)開(kāi)展聲學(xué)超材料的理論研究，并在實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證上不斷取得新突破
1、杜克大學(xué)用“聲學(xué)斗篷”使物體在特定頻率聲波下 “透明”
在2007年和2008年卡默爾教授就從聲學(xué)散射的角度出發(fā)分別論證了二維和三維“聲學(xué)斗篷”制備的可行性，指出它能通過(guò)引導(dǎo)聲波繞過(guò)斗篷下的物體傳播，而使該物體在聲波下“透明”。
盡管理論研究有較快進(jìn)展，但聲學(xué)斗篷對(duì)聲學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和加工要求極為苛刻，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證方面進(jìn)展較緩慢。最早在實(shí)驗(yàn)室演示并驗(yàn)證“聲學(xué)斗篷”的是美國(guó)伊利諾伊大學(xué)的教授尼古拉斯·方。2011年，他制備的二維“聲學(xué)斗篷”能使水下物體在超聲波波段（40kHz-80kHz）面前“遁形”。同年，卡默爾教授的團(tuán)隊(duì)也開(kāi)發(fā)出一種由一些帶孔的塑料板堆積成的二維的“聲學(xué)斗篷”，它能使250px長(zhǎng)的木塊不被聲波（1KHz-4KHz）探測(cè)到。
2013年杜克大學(xué)的卡默爾教授獲得了美國(guó)海軍一份為期五年的項(xiàng)目合同，旨在制備能夠產(chǎn)生、接收及控制聲波的設(shè)備。今年發(fā)明的三維“聲學(xué)斗篷”就是該項(xiàng)目資助的成果。該斗篷由一些具有重復(fù)排列小孔的塑料板組成，在頻率為3kHz的聲波下進(jìn)行測(cè)試，表現(xiàn)出完美的隱身效果。2014年3月，美國(guó)杜克大學(xué)制造出世界上首個(gè)三維“聲學(xué)斗篷”，它是一種聲隱身裝置，能使聲波沿斗篷表面?zhèn)鞑?，不反射也不透射，從而避免回波，?shí)現(xiàn)對(duì)聲波隱身。“聲學(xué)斗篷”是美國(guó)海軍資助超材料項(xiàng)目的突破性成果，一旦工程化應(yīng)用將徹底顛覆主動(dòng)聲納探測(cè)定位的有效性，改變水下戰(zhàn)場(chǎng)的游戲規(guī)則。
圖 三維聲學(xué)斗篷實(shí)物圖（上）和隱身效果圖（下）
2、羅格斯大學(xué)提出了以 “五模材料”的核心的聲隱身實(shí)現(xiàn)方式，開(kāi)啟了聲隱身的另一種思路
2008年，諾里斯教授從彈性力學(xué)的角度出發(fā)，論證了利用“五模材料”實(shí)現(xiàn)聲隱身的可行性。經(jīng)過(guò)2-3年的深入研究，諾里斯教授全面闡述了一種新的聲隱身超材料——“金屬水”，它是一種特殊的“五模材料”，對(duì)聲波幾乎不發(fā)生散射，能通過(guò)改變聲波的傳播路徑而實(shí)現(xiàn)物體的聲隱身，就像水流繞過(guò)障礙物繼續(xù)向前。目前已經(jīng)開(kāi)始生產(chǎn)樣品，并在海軍研究實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行水下測(cè)試。
2012年在美國(guó)海軍資助下，諾里斯教授和韋德林格公司共同開(kāi)發(fā)了“金屬水”水下聲隱身技術(shù)，通過(guò)在水下裝備的外部添加含聲學(xué)超材料的覆層，對(duì)聲波進(jìn)行引導(dǎo)而使目標(biāo)在主動(dòng)聲納的探測(cè)下隱身。該技術(shù)將引起水下裝備隱身領(lǐng)域的變革，并最終改變水下戰(zhàn)場(chǎng)的作戰(zhàn)方式。該技術(shù)中的軟件技術(shù)已完成模擬環(huán)境下對(duì)分系統(tǒng)的驗(yàn)證，材料技術(shù)完成了實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下對(duì)部件的驗(yàn)證，整體概念中的關(guān)鍵概念通過(guò)了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
三、美國(guó)海軍資助多家企業(yè)開(kāi)展聲學(xué)超材料的應(yīng)用研究
自2008年起美國(guó)海軍資助韋德林格、艾森技術(shù)等公司進(jìn)行聲隱身超材料的項(xiàng)目研究。研究均分為三個(gè)階段:
第一階段（2008-2010），通過(guò)計(jì)算模擬對(duì)材料的結(jié)構(gòu)進(jìn)行精細(xì)設(shè)計(jì)以獲得具有獨(dú)特彈性性能的聲學(xué)超材料；
第二階段（2010-2013）對(duì)聲學(xué)超材料進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，并進(jìn)行水下隱身測(cè)試。（2012年艾森技術(shù)公司驗(yàn)證了該公司在此項(xiàng)目下研發(fā)的聲隱身超材料能對(duì)21英寸的圓柱體產(chǎn)生良好的隱身效果。）2014年韋德林格再次獲得資助，開(kāi)展原理樣機(jī)的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)。
第三階段（技術(shù)轉(zhuǎn)化機(jī)會(huì)）計(jì)劃與“弗吉尼亞”號(hào)核潛艇的主要承包商（如諾格公司、洛馬公司等）開(kāi)展實(shí)際應(yīng)用上的合作。
盡管目前聲學(xué)超材料技術(shù)的轉(zhuǎn)化還有很長(zhǎng)的路要走，但它的應(yīng)用前景很明確，可用于任何易于被聲納檢測(cè)到的水下系統(tǒng)，如潛艇、水下無(wú)人潛器等。水下戰(zhàn)中心紐波特分部、水面戰(zhàn)中心巴拿馬分部和卡迪洛克分部都對(duì)該項(xiàng)技術(shù)表現(xiàn)出極大的興趣。
四、結(jié)語(yǔ)
目前，美國(guó)已經(jīng)完成了對(duì)聲學(xué)超材料探測(cè)聲波的隱身效應(yīng)的驗(yàn)證，并開(kāi)始進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用的探索。一旦技術(shù)成功轉(zhuǎn)化將對(duì)潛艇等水下裝備的隱身產(chǎn)生變革性影響，在未來(lái)水下戰(zhàn)場(chǎng)占領(lǐng)先機(jī)。
（來(lái)源：藍(lán)海星智庫(kù)，作者：慕南）
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