研究人员设计了一种巧妙的方法，使用声学来隐藏和模拟物体。
听音乐时，我们不仅会听到乐器发出的音符，还会沉浸在来自周围环境的回声中。声波从我们周围的墙壁和物体反弹回来，形成一种特有的声音效果— — 特定的声场。这就解释了为什么同一首音乐在古老的教堂或现代混凝土建筑中演奏时听起来截然不同。
建筑师在建造音乐厅时一直利用这一事实。但是，该原理也可以转移到其他应用中：可以通过测量来自已知源的声波的反射方式来可视化隐藏在地下的物体。
考虑到现实生活中的情况，一些科学家想要更进一步，系统地操纵声场，以实现本身不应该存在的效果。例如，他们试图创造一种虚幻的音频体验，诱使听众相信他们在混凝土建筑或古老的教堂中。或者，可以通过以听者不再感知它们的方式操纵声场使对象不可见。
通常，所需的幻觉依赖于使用被动方法，这些方法涉及在声学超材料的帮助下构建表面。从声学上隐藏物体的一种方法是覆盖其表面并阻止其反射任何声波。然而，这种方法不灵活，通常只能在有限的频率范围内工作，因此不适用于许多应用。
主动方法试图通过叠加另一层声波来实现幻觉。换句话说，通过向初始声场添加第二个信号。然而，到目前为止，使用这种方法的范围也很有限，因为它只有在可以肯定地预测初始声场的情况下才有效。
将要在声学上隐形的物体放置在实验的中心。初始声场由外环中的扬声器产生。内环中的228个控制传感器记录该场并将数据传输到计算机。随后，中心的36个控制源发出次级信号，实时增强初始声场。（照片：苏黎世联邦理工学院 / Astrid Robertsson）
现在，由苏黎世联邦理工学院应用地球物理学教授Johan Robertsson领导的小组与爱丁堡大学的科学家合作开发了一种新概念，可显著改善这种错觉。在Robertsson小组的博士后Theodor Becker和参与设计实验的资深科学家Dirk-Jan van Manen的带领下，研究人员成功的实时扩大了初始声场，正如他们在最新一期科学进展杂志中报道的那样。因此，它们可以使物体消失，也可以模仿不存在的物体。
为了实现特殊的声学效果，研究人员在位于杜本多夫的苏黎世瑞士创新园的沉浸式波实验中心为该项目安装了一个大型测试设备。具体来说，该设施允许他们掩盖大约12厘米的物体的存在或模拟相同大小的假想物体。
目标物体被封闭在作为控制传感器的麦克风外圈和作为控制源的扬声器内圈中。控制传感器记录哪些外部声音信号从初始场到达目标。根据这些测量值，计算机然后计算控制源必须产生哪些次级声音，以实现初始声场的期望增强。测试设施模拟两种情况。在隐身时（左侧），物理散射体周围的控制传感器和控制源确保主源的声波不被反射。在全息（右侧）期间，它们会产生一种声学错觉，就好像物理散射体位于它们的中心一样。（来自 Becker TS，Sci.Adv.，2021）
为了遮掩物体，控制源会发出一个信号，完全消除物体反射的声波。相比之下，为了模拟一个物体（也称为全息），控制源会增强初始声场，就好像声波从两个圆环中心的物体上反弹一样。
为了使这种增强功能发挥作用，控制传感器测量的数据必须立即转换为控制源的指令。为了控制这个系统，研究人员使用了场效应- 响应时间极短的可编程门阵列（FPGA：Field-Programmable Gate Arrays）。
“我们的设施允许我们在一定的频率范围内操纵声场，”Robertsson说。伪装的最大频率为8700 Hz，模拟的最大频率为5900 Hz。迄今为止，研究人员已经能够以二维方式操纵表面上的声场。作为下一步，他们希望将流程增加到三个维度并扩展其功能范围。该系统目前增强了空中声波。然而，Robertsson解释说，新工艺也可能在水下产生声学幻觉。他设想了不同领域的大量潜在用途，例如传感器技术、建筑和通信以及教育领域。
新技术也与地球科学高度相关。“在实验室中，我们使用频率超过100 kHz的超声波来确定矿物的声学特性；在现场，我们使用频率低于100 Hz的地震波研究地下结构，”Robertsson 说。“新流程将使我们能够帮助弥合这个‘死区’。”合著者、英国爱丁堡大学数学地球科学主席Andrew Curtis说：“这项合作始于15年前，当时基础理论得到发展，这说明了科学项目的长期性质。来自欧洲研究委员会的资金将欧洲科学家聚集在一起是关键。”
Becker T.S. et. al.: Broadband acousticinvisibility and illusions. Sci. Adv. 7, eabi9627 (2021).doi: 10.1126/sciadv.abi9627
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