【科技动态】美国声隐身超材料技术发展研究
声学超材料可通过特殊的结构设计来改变声波的传播路径；
美国大学开创“声学斗篷”和“金属水”两种声隐身的实现方式，带来水下装备隐身新方法；
美国海军积极资助多家企业开展声学超材料的应用研究，并取得显著进展。
一、声学超材料可通过特殊的结构设计来改变声波的传播路径，对躲避主动声纳探测具有重要意义
超材料（Metamaterials）具备天然材料所不具备的某些特性，如使波“绕过”材料表面实现声学隐身、光学隐身以及电磁波隐身等；其关键是设计，包括设计某种亚波长级别的微结构单元以及这些单元的排列规则；最终决定其物理特性（如介电常数、磁导率、体弹性模量和质量密度等）的不是原材料本身的原子、分子或相互之间的作用，而是这些可与波相互作用的微结构单元，以及这些单元按一定规则排列形成的相互作用关系。
超材料技术在雷达、电子对抗等诸多装备技术领域已经展示了巨大的应用潜力和发展空间，其在隐身领域的研究也显示具备战略性重大突破的可能。美国、日本、英国等都已制定国家层面的超材料发展计划，已开发出隐身蒙皮、可见光隐身衣等隐身产品，而声隐身是在近十年来才开始引起人们的关注并开始进行研究的。这主要是由当前对潜艇的水下探测主要使用主/被动声纳，但被动声纳对目标定位时，测距信息不准。此外，先进潜艇声隐身性能大幅提高，使得被动声纳的探测效果下降。因此，利用主动声纳定位成为探测潜艇并实施精确打击的重要手段。美国近年来积极开展声学超材料的相关研究，旨在提高潜艇躲避主动声纳探测的能力。
目前，美国已经在声学超材料研究中取得一定成绩，目前还在资助大学和企业开展声学超材料的相关理论和应用研究。此外，西班牙巴伦西亚工艺大学和德国的卡尔斯鲁厄技术研究院也开展了声隐身超材料的理论研究。2012年英国国防部认识到超材料在国防安全上的重要性，加大了对超材料研究的投入，研究重点包括声学超材料在隐身上的应用。
二、美国多所大学开展声学超材料的理论研究，并在实验验证上不断取得新突破
1、杜克大学用“声学斗篷”使物体在特定频率声波下 “透明”
在2007年和2008年卡默尔教授就从声学散射的角度出发分别论证了二维和三维“声学斗篷”制备的可行性，指出它能通过引导声波绕过斗篷下的物体传播，而使该物体在声波下“透明”。
尽管理论研究有较快进展，但声学斗篷对声学结构设计和加工要求极为苛刻，实验验证方面进展较缓慢。最早在实验室演示并验证“声学斗篷”的是美国伊利诺伊大学的教授尼古拉斯•方。2011年，他制备的二维“声学斗篷”能使水下物体在超声波波段（40kHz-80kHz）面前“遁形”。同年，卡默尔教授的团队也开发出一种由一些带孔的塑料板堆积成的二维的“声学斗篷”，它能使250px长的木块不被声波（1KHz-4KHz）探测到。
2013年杜克大学的卡默尔教授获得了美国海军一份为期五年的项目合同，旨在制备能够产生、接收及控制声波的设备。今年发明的三维“声学斗篷”就是该项目资助的成果。该斗篷由一些具有重复排列小孔的塑料板组成，在频率为3kHz的声波下进行测试，表现出完美的隐身效果。2014年3月，美国杜克大学制造出世界上首个三维“声学斗篷”，它是一种声隐身装置，能使声波沿斗篷表面传播，不反射也不透射，从而避免回波，实现对声波隐身。“声学斗篷”是美国海军资助超材料项目的突破性成果，一旦工程化应用将彻底颠覆主动声纳探测定位的有效性，改变水下战场的游戏规则。
图 三维声学斗篷实物图（上）和隐身效果图（下）
2、罗格斯大学提出了以 “五模材料”的核心的声隐身实现方式，开启了声隐身的另一种思路
2008年，诺里斯教授从弹性力学的角度出发，论证了利用“五模材料”实现声隐身的可行性。经过2-3年的深入研究，诺里斯教授全面阐述了一种新的声隐身超材料——“金属水”，它是一种特殊的“五模材料”，对声波几乎不发生散射，能通过改变声波的传播路径而实现物体的声隐身，就像水流绕过障碍物继续向前。目前已经开始生产样品，并在海军研究实验室进行水下测试。
2012年在美国海军资助下，诺里斯教授和韦德林格公司共同开发了“金属水”水下声隐身技术，通过在水下装备的外部添加含声学超材料的覆层，对声波进行引导而使目标在主动声纳的探测下隐身。该技术将引起水下装备隐身领域的变革，并最终改变水下战场的作战方式。该技术中的软件技术已完成模拟环境下对分系统的验证，材料技术完成了实验室环境下对部件的验证，整体概念中的关键概念通过了实验验证。
三、美国海军资助多家企业开展声学超材料的应用研究
自2008年起美国海军资助韦德林格、艾森技术等公司进行声隐身超材料的项目研究。研究均分为三个阶段:
第一阶段（2008-2010），通过计算模拟对材料的结构进行精细设计以获得具有独特弹性性能的声学超材料；
第二阶段（2010-2013）对声学超材料进行了结构优化，并进行水下隐身测试。（2012年艾森技术公司验证了该公司在此项目下研发的声隐身超材料能对21英寸的圆柱体产生良好的隐身效果。）2014年韦德林格再次获得资助，开展原理样机的设计和开发。
第三阶段（技术转化机会）计划与“弗吉尼亚”号核潜艇的主要承包商（如诺格公司、洛马公司等）开展实际应用上的合作。
尽管目前声学超材料技术的转化还有很长的路要走，但它的应用前景很明确，可用于任何易于被声纳检测到的水下系统，如潜艇、水下无人潜器等。水下战中心纽波特分部、水面战中心巴拿马分部和卡迪洛克分部都对该项技术表现出极大的兴趣。
四、结语
目前，美国已经完成了对声学超材料探测声波的隐身效应的验证，并开始进行实际应用的探索。一旦技术成功转化将对潜艇等水下装备的隐身产生变革性影响，在未来水下战场占领先机。
（来源：蓝海星智库，作者：慕南）
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