Nat. Commun.∣时空幻像助力超宽带隐形技术- 大数跨境

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Nat. Commun.∣时空幻像助力超宽带隐形技术

两江科技评论

2024-09-24

导读：近日，南京大学赖耘教授团队和香港大学Nicholas X. Fang教授团队进行合作，提出了一种原创的隐身方法，利用幻像声学概念解决了传统隐形技术带宽窄的瓶颈，在超宽频范围内抑制了物体的散射，并实现了

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导读

长久以来，隐形作为人类自古的憧憬，始终萦绕于心。近二十载光阴，科技的飞跃，尤其是人工超构材料的革命性突破与变换光学理论的兴起与深化，正逐步将这一古老幻想从幻想之境拉向现实舞台。在光学、声学乃至热学等诸多科学领域，隐形或散射消除技术已展现出广泛的应用前景，预示着科技前沿的璀璨未来。然而，尽管成就斐然，当前的隐形技术仍面临着一些关键性的挑战，其中最为棘手的问题之一，便是其面临的带宽瓶颈。这一技术局限犹如一道枷锁，严重制约了隐形技术在实际应用领域的应用价值。

近日，南京大学赖耘教授团队和香港大学Nicholas X. Fang教授团队进行合作，提出了一种原创的隐身方法，利用幻像声学概念解决了传统隐形技术带宽窄的瓶颈，在超宽频范围内抑制了物体的散射，并实现了“空间消失”和“时间偏移”的隐形时空幻像。这项研究在理论上具有重大意义，为宽带隐形和声场调控等实际应用开辟了新的设计方向。尤为重要的是，这种方法所带来的声波无损传播和散射消除效应，并不局限于特定的频率范围，而适用于超宽频带的声波。这一特性使得该技术在声波通信、声学隐身、噪声控制等多个领域具有广泛的应用前景。论文以“Ultra-broadband illusion acoustics for space and time camouflages”为题，发表于国际期刊Nature Communications（《自然通讯》）。南京大学刘晨凯副研究员和美国威斯康辛大学麦迪逊分校Chu Ma助理教授为论文共同第一作者。南京大学赖耘教授和香港大学Nicholas X. Fang教授为论文共同通讯作者。本研究得到了国家重点研发计划和国家科学基金的支持。

研究亮点

想象一个空间中存在物体，当声波在这个空间中传播时，物体不可避免地会造成散射，这不仅会导致声波的能量衰减，还使得声波的传播方向变得杂乱无章。通过散射波，可以探测到物体的存在与大小、位置等信息。如何避免这种探测，成为了声学中最关键的技术应用之一。传统上消除散射的方法是覆盖一层吸波材料，但吸波材料会在物体后方留下一个阴影。相反，使用隐形斗篷等新概念器件可以在不留下阴影的同时完美消除散射。然而，目前的隐形斗篷等技术仍然受限于较窄的工作带宽，严重制约了该技术在实际中的应用场景和价值。隐形技术的带宽瓶颈来源于多个方面。首先，隐形器件的材料参数十分奇特，不存在于自然材料中，只能通过超构材料来实现。而超构材料的有效参数通常具有强烈的色散，导致其工作带宽狭窄。其次，从物理上看，隐形斗篷可以看成一个曲面通道。当入射波沿着这个曲面通道传播时，需要和旁边空间中走直线的入射波传播时间完全一致，才能实现完美隐身。但在真空中，这意味着超光速，违反了爱因斯坦的相对论和因果律的基本假设。因此，真空中的完美隐形斗篷严格意义上只能在窄频段内实现。突破这一瓶颈的常见方法是取消对透射波阵面一致的要求，纯粹基于几何光学来设计隐身斗篷，但这显然并不适用于低频散射的情况，如声学隐身。

有趣的是，适当转换设计思路就有可能突破工作频宽这一隐身斗篷十几年来都未解决的技术瓶颈。实际上，消除物体的散射有多种方法，除了采用隐形斗篷将物体等效为“自由空间”外，还可以干脆让包含物体的这部分空间消失，也就是实现一个“空间消失”的幻像。如图1所示，当障碍物被精心设计的超构材料所覆盖时，入射声波可以沿这种特殊材料传播并绕过障碍物继续传播。当声程设计合理时，包含了障碍物的空间，对于声波而言，好像整体消失了一样。在这一过程中，原先由于障碍物引起的杂乱声散射被有效地消除，声波的传输质量得到了显著提升。尤其重要的是，这个原理既不使用导致色散的共振结构，也不需要违背相对论和因果律的基本原理，因此其工作带宽天然就是超宽频的，理论上覆盖了整个准静态至高频段。无论频率如何变化，这种材料都能保持其卓越的声波传播和散射消除性能。

图1. 幻像声学实现超宽带时空隐形的概念图。

在这项研究中，研究人员创新性地采用了亚波长尺度的声学隧道作为超构材料的基本单元结构，并隧道内部设计了一系列倒刺结构，如图2所示。这些具有倒刺结构的特殊声学隧道的核心功能在于其对声速的任意操控能力，且能保持高效的传输效率。由于结构的非共振特性，该工作机制适用于超宽频带。

图2. 可调声速隧道的设计及其相位调控机制。

所设计的幻像声学隐身器件由一系列精心布局的声隧道构成，这些隧道巧妙地环绕着预设的障碍物，如图3所示。为了实现超宽频带范围内的散射消除效应，两个核心条件需要满足：第一，器件的入射面和出射面的几何形态保持一致；第二，所有声隧道具有完全相同的声程。通过精确的计算和优化，入射面处的声波波前能够准确地复制到出射表面。最终这种设计使得声波在穿过隧道时，声波的传播路径和特性几乎不受任何影响，仿佛隧道和障碍物空间并不存在一样。

图3. 幻像器件的设计及实验装置。

研究团队通过仿真模拟和实验测量验证了超宽带散射消除的功能，如图4所示。结果表明，在裸露障碍物的情况下，声波散射十分明显。然而，当设计的幻像声学隐身器件包裹障碍物后，情况发生了根本性的改变。入射声波能够完美地绕过障碍物，并在透射区域重现入射波前，仿佛障碍物及其所在的空间完全消失。此外，仿真和实验还证明了该器件在宽频范围内的有效性，从1KHz到16KHz，该器件都能够实现完美散射消除的效果。这一发现充分展示了该器件在宽频声波控制方面的巨大潜力和应用价值。

图4. 超宽带声散射消除的仿真计算与实验测量。

进一步地，研究团队通过脉冲仿真模拟，展示了空间消失和时间偏移的现象，如图5所示。在声波脉冲激发下，器件能够有效地消除由障碍物产生的散射。此外，从透射波前可以看出，激发源的位置似乎往前偏移了一些距离，这个距离对应了幻像声学隐身器件所占据的空间，由此，称之为空间消失的现象。正是由于消失的空间和隧道中相位延迟的存在，透射波前也展现出时间偏移的现象。

图5. 空间消失和时间偏移的幻像现象。

总结与展望

这项研究通过精心设计的声隧道组成了超构材料，产生了独特的声学幻像——“空间消失”及“时间偏移”,最终实现了令人瞩目的超宽频散射消除，即超宽带声学隐形。先前隐形技术的工作带宽受限的根本原因之一是因果律。然而，在这项工作中，由于时间偏移幻像的设计，绕过了因果律带来的窄带宽限制，成功地将隐形推广至超宽频带。这一突破性成果不仅成功地突破了现有隐形技术的技术瓶颈，还为实现更宽频率范围内的声波操控提供了一个全新的平台，具有广阔的应用前景。首先，在超宽频范围内工作的声散射消除技术有望提高声波信息传输的清晰度和准确性，可用于语音识别等热点领域。其次，在隐身领域，超宽频的特性使得物体可以在更宽的频率范围内被“隐形”，这对于军事和隐秘通信等应用具有重要意义。此外，该技术还在控制室内混响等其他声学应用上展现出了不错的潜力。