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日韩科学家发明超材料透声装置 可将水声高效转

作者:EBET时间:2020-06-13 19:54

  【据科学新闻网2018年1月23日报道】水下的声音很难被水面以上的人听到,这是因为声能量从水中传播到空气中的比例很低,通常只有0.1%左右。但最近,研究人员研发出一种新的声学设备,可以改变这一现状。

  研究人员设计了一种超材料,其声学特性与普通材料大不相同,通过这种超材料,水声能量的30%可以转化为空气声。日本札幌北海道大学的应用物理学家奥利弗·赖特(Oliver Wright)和韩国首尔延世大学组成的联合研究小组介绍说,未来可利用这种材料制作在海面以上检测海洋生物水声的探测设备,还可以制造出在空气中使用的对海声呐。反映这一成果的论文已经被《物理评论快报》(PRL)杂志接收。

  目前,水声的检测只能利用水下的水听器来实现。但如果想从水面上实现呢?这就需要借助被命名为NOISEMAKER(“发声者”)的新设备。这是一个带有加厚橡胶膜的小圆柱体,蒙在水面上漂浮的金属框架上。当水下声波传播到设备上时,其框架和隔膜随之发生振动,通过精密调谐,可使隔膜振动转化为空气中的声音。

  桌面或者水面这种界面被称为“硬”表面,声波传播到界面是几乎会被全部反射回去,因此传递到另一种介质的声能很少。怀特教授研究团队尝试通过引入中间结构,来改变这种反射强、折射弱的情况。

  声音在水和空气中传播时都会有一定的阻抗,由于两者的密度差别很大,其声阻抗相差约3600倍,即水面存在严重的阻抗失配。而界面两边的介质阻抗失配越明显,声音的跨介质传播就越难。

  在界面处添加一层厚度为入射波波长四分之一的增透膜材料可以减少反射量,这是应用于相机和眼镜镜片的抗反射涂层的原理。光的波长在数百纳米尺度,因此抗反射涂层厚度小,但可听见的声波波长通常在米尺度。利用超材料,则可以在百分之一波长厚度内实现四分之一普通材料的透声功能。

  虽然这种超材料透声在原理上具有可行性,但离实际应用还有很长一段路。加州蒙特雷海军研究生院的物理学家奥列格·戈丁(Oleg Godin)评价说:“这是一场实验性的演示。我对其应用前景和意义印象不深,某些方面可能是作者一厢情愿的想法。”

  研究人员必须克服的一个主要问题是该设备只能传播方向垂直于水面的声波,对有一定入射角的声波效果很有限。在实验室中,该设备是在一个试管中进行测试的,这实际上是一个单向传声的环境。但在湖泊或海洋这样面积巨大的界面上,该设备只能将其正下方小范围的水声传播到空气中。此外,这种超材料仅限于传输窄频带的声波,在这个频带范围之外的声音大部分仍将发生反射。(中国船舶工业综合技术经济研究院 丁宏)

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