中科院研究团队成功实现宽频广角有效的水下隐身毯

中科院研究团队成功实现宽频广角有效的水下隐身毯

作者:周萍

近日,中科院声学研究所噪声与振动重点实验室杨军研究员、贾晗研究员的研究团队和中科院理化技术研究所微珠材料制备新工艺及其应用技术研究组张敬杰研究员的研究团队将轻质高强度的合成泡沫引入到Biot等效流体的设计中,通过表征和精确调控合成泡沫的声学参数,并与钢和水组合设计了三组分的超流体,实现了宽频广角有效的水下隐身毯。相关研究成果以题为“Underwater Carpet Cloak for Broadband and Wide-Angle Acoustic Camouflage Based on Three-component Metafluid”发表于国际学术期刊Physical Review Applied。

研究背景

声学隐身技术,作为隐身技术的重要分支,在以声波为主要传播手段的海洋环境中有着重要的影响。为了躲避海洋中声纳的探测,传统的隐身技术通过在目标表面铺设吸声材料吸收入射声波而不产生反射声波来实现隐身。但当多个声纳存在时,这一类隐身技术仍然难以逃脱暴露的命运。近年来,随着超材料的蓬勃发展,通过操控声波来实现声学伪装的隐身技术引起了研究者们的广泛关注。其中,通过模拟反射平面来实现隐身的声学隐身毯,被认为是最简易实用的隐身装置之一。

图片源于网络

中科院声学研究所噪声与振动重点实验室杨军研究员、贾晗研究员的研究团队一直致力于声学隐身技术研究,并取得了诸多成果。此前,该团队在空气中利用穿孔板结构实现了二维的声学幻象(http://dx.doi.org/10.1063/1.4775408)。随后,该研究团队进一步将其扩展到水下,分别利用周期性分布的铜片和周期性分隔的钢条制备出了二维(http://www.nature.com/articles/s41598-017-00779-4)和三维( https://aip.scitation.org/doi/full/10.1063/1.5026199)的声学隐身毯,弥补了该研究领域在水下的空白。但目前已有的声学隐身毯还存在一定的阻抗失配问题,其在大角度入射声波下的隐身性能仍有待提高。

研究方法与创新

为了实现宽频广角的水下声隐身,研究团队引入轻质高强度的合成泡沫,与钢和水组合设计了三组分的超流体,实现了宽频广角有效的水下隐身毯。在设计中,研究团队利用四相模型对合成泡沫进行建模,计算了合成泡沫的声学参数随不同材料组分比例、微珠平均壁厚和平均粒径的变化,实现了对合成泡沫声学参数的精确调控,从而达到材料参数和结构的协同调控,以满足隐身毯所需的各向异性参数。引入的合成泡沫由空心玻璃微珠和环氧树脂组成,具有密度小、浮力大、抗压强度高、吸水率低等特性,能承受水下数千米的压力,被广泛用于深海潜浮器、海底探测装置、海洋石油钻井平台、海底空间站等众多领域。研究团队首次关注到合成泡沫这一常用浮力材料的声学性能,并创新性地将其引入到水下声学隐身毯的设计中,有利于加速水下隐身技术在现有水下装备上的应用进程。

图1 合成泡沫的声学表征

研究团队在Biot流体理论的基础上,采用固体在背景流体中分散排列的结构来实现隐身毯所需的各向异性参数,并引入了声学参数可调控的合成泡沫来对结构的等效参数进行进一步调节。通过材料参数和结构协同设计的方式,研究团队设计出了由合成泡沫、钢和水组成的三组分超流体,其能完全实现隐身毯所需的各向异性参数。

图2 水下隐身毯的设计与参数实现

通过在水中周期性地交替排列合成泡沫条和钢条,研究团队构建了二维水下隐身毯,并在消声水池中进行了宽频和斜入射的实验验证。实验以水气交界面作为反射平面,分别测试了5 kHz-15 kHz范围内正入射和斜入射下反射平面、散射体和隐身毯的散射声场。实验结果表明,设计的隐身毯在宽频和斜入射下都表现出了优异的隐身性能。

图3 宽频广角水下隐身毯的实验验证

总结与展望

该工作在常规的结构设计方式中引入具有可调参数的合成泡沫进行进一步调控,为基于超材料的声学参数调控提供了一个新的自由度,大大拓宽了超材料所能实现的声学参数范围,有利于更多基于超材料的声学器件的实现。此外,水下隐身毯的设计与验证也为基于材料和结构协同调控的超材料器件的实现提供了一个典型的例子,为水声器件的实际工程应用奠定了基础。

该工作第一作者为中科院声学研究所噪声与振动重点实验室博士研究生周萍,该研究得到了广东省重点领域研究开发项目(No.2020B010190002)、国家自然科学基金(No.11874383, No.12104480)、声学研究所前沿探索项目(No. QYTS202110)的资助。

论文链接:

https://journals.aps.org/prapplied/abstract/10.1103/PhysRevApplied.18.014050

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