新型水下“隐身衣”

        对于深海中的物体来说,声波是探测的主要手段。在伊利诺斯大学Beckman高科技研究所的实验室里Nicholas Fang教授带领的研究团队新开发出一种能让声纳探测不到的“隐声衣”。这种技术可以使水下物体对声纳和其他超声波隐形。

        尽管理论上早已提出了让包裹在物体外的材料折射或吸收入射波的可行性,但实现这一概念仍是一个挑战。Fang的团队在一篇已被PRL接收的论文[1]中描绘了他们的成果,可以在宽频段的超声波下隐藏一个物体。

        斗篷是由超材料构成,超材料是一种可设计微观结构获得宏观特性的人工材料[2]Fang的团队设计的二维隐身斗篷由16个声波电路同心环组成。每个环有不同的折射率,这意味着声波从外环到内环的速率也在变化,这种结构经过精心设计后就可以改变声波传播的方向,绕开被隐身的物体。

        “你看到的是一连串由隧道连接的腔,当声音在隧道内传播时,腔洞会减缓声波的传播速度,”Fang说。这些亚波长的腔单元构成了声学传输线,可以类似地用电路中的电容、电感来描述,从等效的传播方程求的所需的阻抗等物理量。利用这一方法只要设计出合适的结构参数就可以让声波沿着声学传输线的方向传播。如果传到内环,声波的速度会越来越快。但加速需要能量,这样声波就会沿着外罩的外缘传播。

        研究人员用钢制圆柱体对隐声外罩进行了测试。他们将圆柱体沉入水箱,水箱一边装有超声波源,另一边装有一排传感器,在将圆柱体套上外罩后它从声呐探测中消失了。进一步测试显示外罩对不同结构物体的隐声效果一样。

        相对目前实现的类似的隐身斗篷,这种隐身斗篷的优势是它能够覆盖很宽的波长范围,消音范围是40千赫到80千赫的超声波,改进后理论上将能覆盖到几十兆赫。

        接下来研究人员将探索如何将隐形技术应用于军事和卫生保健领域。例如,超声或其他声波成像技术,但身体的许多部位会产生干扰并损坏成像,由超材料制成的绷带或“盾”可有效地隐藏可能产生干扰的区域,以便超声能集中在感兴趣的区域。

        隐形技术也会影响非线性声学现象,一个困扰快速移动水下物体的问题是空化,或是气泡的形成和内爆。Fang教授和他的研究小组坚信,他们可以利用斗篷的能力平衡空化区域的能量,比如螺旋桨周围的漩涡区域。(点此阅读原版新闻)

 

[1]S. Zhang, C. Xia, and N. Fang. (2010), Broadband Acoustic Cloak for Ultrasound Waves.  arXiv:1009.3310v1

[2]超材料WIKI http://en.wikipedia.org/wiki/Metamaterial

 

相关新闻:

        两个独立研究小组制成隐身斗篷,其中一个只能在水下隐身,另一项成果可以在可见光中隐身。Nature杂志的相关报道http://www.nature.com/news/2010/101215/full/news.2010.678.html

 

进一步阅读论文:

Review:

  1. Wood, BStructure and properties of electromagnetic metamaterials  LASER & PHOTONICS REVIEWS,2007,1(3):249-259 .
  2. Chen HY, Chan CT, Sheng P. Transformation optics and metamaterials   NATURE MATERIALS,2010,9(5): 387-396.

 

Article:

  1. Schurig D, Mock JJ, Justice BJ, et al.  Metamaterial electromagnetic cloak at microwave frequencies  SCIENCE , 2006,314(5801): 977-980.
  2. Cai WS, Chettiar UK, Kildishev AV, et al.   Optical cloaking with metamaterials   NATURE PHOTONICS, 2007,1(4):224-227.
  3. Chen HS, Wu BI, Zhang B, et al.   Electromagnetic wave interactions with a metamaterial cloak    PHYSICAL REVIEW LETTERS , 2007, 99(6).
  4. Liu R, Ji C, Mock JJ, et al.   Broadband Ground-Plane Cloak    SCIENCE , 2009, 323(5912): 366-369.
  5. Ruan Z, Yan M, Neff CW, et al. Ideal cylindrical cloak: Perfect but sensitive to tiny perturbations    PHYSICAL REVIEW LETTERS,  2007, 99(11).
  6. Valentine J, Li JS, Zentgraf T, et al.    An optical cloak made of dielectrics   NATURE MATERIALS, 2009, 8(7):568-571.
  7. Lai Y, Chen HY, Zhang ZQ, et al.   Complementary Media Invisibility Cloak that Cloaks Objects at a Distance Outside the Cloaking Shell  PHYSICAL REVIEW LETTERS2009, 102(9).
  8. Baile Zhang,et al. Macroscopic invisible Cloak for Visible Light. http://arxiv4.library.cornell.edu/abs/1012.2238
  9. Xianzhong Chen,et al. Macroscopic Invisibility Cloaking of Visible Light. http://arxiv4.library.cornell.edu/abs/1012.2783v1
  10. Landy NI, Kundtz N, Smith DR  Designing Three-Dimensional Transformation Optical Media Using Quasiconformal Coordinate Transformations    PHYSICAL REVIEW LETTERS,2010,105(19).

 

图书馆馆藏书籍

  1. Metamaterials : physics and engineering explorations    出版年:2007  索书号:TM27/XM587
  2. Applications of metamaterials    出版年:2009  索书号:TM27/XA652
  3. Metamaterials Theory, Design, and Applications  出版年:2010 Springer电子书)
  4. Metamaterials and Plasmonics: Fundamentals, Modelling, Applications  出版年:2009 Springer电子书)

  *如有感兴趣的Metamaterial图书,可向图书馆荐购(http://webpac.lib.tongji.edu.cn/asord/asord_redr.php

 

近期会议:

        Material Workshop, April9-12, Hangzhou.

        会议网站:http://icamconferences.org/metamaterial/

 

 

 

整理供稿:殷嘉辉魏雯婕

2011-01-11

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