声波技术新突破：有望让潜艇实现“隐身”！

导读

近日，瑞士洛桑联邦理工学院与奥地利维也纳技术大学以及希腊克里特大学的研究人员一起合作，开发出一种可以使得声波无失真地穿过无序媒介的系统。

背景

大多数天然材料都具有一种无序的原子结构，这种结构会干扰声波和电磁波的传播。当波与这些材料发生接触时，波会向四周反弹并扩散开来。按照高度复杂的干涉图案，波的能量逐渐消散，强度逐渐减弱。这意味着通过波散射媒介完好无损地传输数据或者能量以及充分利用各种波技术的潜力，都几乎是不可能的。

例如，你不妨看看自己的智能手机，它的地理定位功能在建筑内部会受到影响，因为无线电波在建筑中会向所有的方向散射。在其他的潜在应用包括：生物医学成像和地质调查中，透过高度无序的媒介发送波，显得非常重要。

创新

来自瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）两个实验室的研究团队，与奥地利维也纳技术大学以及希腊克里特大学的研究人员一起合作，开发出一种系统可以使得声波无失真地穿过这些媒介。该系统采用微型扬声器作为声学中继器抵消波散射，并且已经成功地在真实的声学系统上进行了测试。他们的研究近日发表于《Nature Physics》期刊。

（图片来源：Jamani Caillet / 2018 EPFL）

（图片来源：Alain Herzog / 2018 EPFL）

技术

在新系统中，微型扬声器经过控制可用于声波的增强、减弱或者相位移动。这样使得它们可以抵消声波碰到障碍物时发生的散射，并重现恰好位于无序媒介的另一端的原始声音。

它是如何工作的呢？EPFL 波工程实验室（LWE）的领头人、论文的合著者 Romain Fleury 表示：“我们意识到我们的声学中继器必须能够在关键位置上改变波的幅度与相位，增强或减弱它们。”

研究人员构造了一个充满空气的管子，并在其中放置各种障碍物，例如：墙、多孔材料和减速弯角，从而制造出高度无序的媒介，让声波无法通过。然后，他们将微型扬声器放置在障碍物之间，建立起电子控制来调整扬声器的声学特性。

EPFL 信号处理实验室 2（LTS2）声学研究小组的领头人、论文的合著者之一的 Hervé Lissek 表示：“我们采用受控的扬声器作为有源吸声体已有几年时间，所以在这种新应用中采用它们也是合情合理的。”

（图片来源：Alain Herzog / 2018 EPFL）

论文的另外一位合著者 Etienne Rivet 表示：“到目前为止，我们只需要减弱声波。但是，在这里我们必须开发一种新的控制机制，使我们也可以增强声波，就像我们已经可以通过激光增强光波一样。”他们的新方法，在声学中是唯一的一种，采用可编程电路实时并同时地控制几个扬声器。

（图片来源：2018 EPFL）

价值

研究人员研发的有源声学控制方法，类似于噪音消除耳机采用的方案，并有望应用于含有普通环境频率的声音。它也可以用于消除从潜艇等物体上返回的声波，使得声呐无法检测到它们。更进一步说，构成他们研究基础的理论是普遍的，可以类似地应用于光波或者无线电波，使得物体隐身或者透过不透明的材料拍摄图像。