聲學(xué)超材料可通過特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計來改變聲波的傳播路徑；
美國大學(xué)開創(chuàng)“聲學(xué)斗篷”和“金屬水”兩種聲隱身的實現(xiàn)方式，帶來水下裝備隱身新方法；
美國海軍積極資助多家企業(yè)開展聲學(xué)超材料的應(yīng)用研究，并取得顯著進(jìn)展。
一、聲學(xué)超材料可通過特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計來改變聲波的傳播路徑，對躲避主動聲納探測具有重要意義
超材料（Metamaterials）具備天然材料所不具備的某些特性，如使波“繞過”材料表面實現(xiàn)聲學(xué)隱身、光學(xué)隱身以及電磁波隱身等；其關(guān)鍵是設(shè)計，包括設(shè)計某種亞波長級別的微結(jié)構(gòu)單元以及這些單元的排列規(guī)則；最終決定其物理特性（如介電常數(shù)、磁導(dǎo)率、體彈性模量和質(zhì)量密度等）的不是原材料本身的原子、分子或相互之間的作用，而是這些可與波相互作用的微結(jié)構(gòu)單元，以及這些單元按一定規(guī)則排列形成的相互作用關(guān)系。
超材料技術(shù)在雷達(dá)、電子對抗等諸多裝備技術(shù)領(lǐng)域已經(jīng)展示了巨大的應(yīng)用潛力和發(fā)展空間，其在隱身領(lǐng)域的研究也顯示具備戰(zhàn)略性重大突破的可能。美國、日本、英國等都已制定國家層面的超材料發(fā)展計劃，已開發(fā)出隱身蒙皮、可見光隱身衣等隱身產(chǎn)品，而聲隱身是在近十年來才開始引起人們的關(guān)注并開始進(jìn)行研究的。這主要是由當(dāng)前對潛艇的水下探測主要使用主/被動聲納，但被動聲納對目標(biāo)定位時，測距信息不準(zhǔn)。此外，先進(jìn)潛艇聲隱身性能大幅提高，使得被動聲納的探測效果下降。因此，利用主動聲納定位成為探測潛艇并實施精確打擊的重要手段。美國近年來積極開展聲學(xué)超材料的相關(guān)研究，旨在提高潛艇躲避主動聲納探測的能力。
目前，美國已經(jīng)在聲學(xué)超材料研究中取得一定成績，目前還在資助大學(xué)和企業(yè)開展聲學(xué)超材料的相關(guān)理論和應(yīng)用研究。此外，西班牙巴倫西亞工藝大學(xué)和德國的卡爾斯魯厄技術(shù)研究院也開展了聲隱身超材料的理論研究。2012年英國國防部認(rèn)識到超材料在國防安全上的重要性，加大了對超材料研究的投入，研究重點包括聲學(xué)超材料在隱身上的應(yīng)用。
二、美國多所大學(xué)開展聲學(xué)超材料的理論研究，并在實驗驗證上不斷取得新突破
1、杜克大學(xué)用“聲學(xué)斗篷”使物體在特定頻率聲波下 “透明”
在2007年和2008年卡默爾教授就從聲學(xué)散射的角度出發(fā)分別論證了二維和三維“聲學(xué)斗篷”制備的可行性，指出它能通過引導(dǎo)聲波繞過斗篷下的物體傳播，而使該物體在聲波下“透明”。
盡管理論研究有較快進(jìn)展，但聲學(xué)斗篷對聲學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計和加工要求極為苛刻，實驗驗證方面進(jìn)展較緩慢。最早在實驗室演示并驗證“聲學(xué)斗篷”的是美國伊利諾伊大學(xué)的教授尼古拉斯·方。2011年，他制備的二維“聲學(xué)斗篷”能使水下物體在超聲波波段（40kHz-80kHz）面前“遁形”。同年，卡默爾教授的團(tuán)隊也開發(fā)出一種由一些帶孔的塑料板堆積成的二維的“聲學(xué)斗篷”，它能使250px長的木塊不被聲波（1KHz-4KHz）探測到。
2013年杜克大學(xué)的卡默爾教授獲得了美國海軍一份為期五年的項目合同，旨在制備能夠產(chǎn)生、接收及控制聲波的設(shè)備。今年發(fā)明的三維“聲學(xué)斗篷”就是該項目資助的成果。該斗篷由一些具有重復(fù)排列小孔的塑料板組成，在頻率為3kHz的聲波下進(jìn)行測試，表現(xiàn)出完美的隱身效果。2014年3月，美國杜克大學(xué)制造出世界上首個三維“聲學(xué)斗篷”，它是一種聲隱身裝置，能使聲波沿斗篷表面?zhèn)鞑?，不反射也不透射，從而避免回波，實現(xiàn)對聲波隱身?！奥晫W(xué)斗篷”是美國海軍資助超材料項目的突破性成果，一旦工程化應(yīng)用將徹底顛覆主動聲納探測定位的有效性，改變水下戰(zhàn)場的游戲規(guī)則。
圖 三維聲學(xué)斗篷實物圖（上）和隱身效果圖（下）
2、羅格斯大學(xué)提出了以 “五模材料”的核心的聲隱身實現(xiàn)方式，開啟了聲隱身的另一種思路
2008年，諾里斯教授從彈性力學(xué)的角度出發(fā)，論證了利用“五模材料”實現(xiàn)聲隱身的可行性。經(jīng)過2-3年的深入研究，諾里斯教授全面闡述了一種新的聲隱身超材料——“金屬水”，它是一種特殊的“五模材料”，對聲波幾乎不發(fā)生散射，能通過改變聲波的傳播路徑而實現(xiàn)物體的聲隱身，就像水流繞過障礙物繼續(xù)向前。目前已經(jīng)開始生產(chǎn)樣品，并在海軍研究實驗室進(jìn)行水下測試。
2012年在美國海軍資助下，諾里斯教授和韋德林格公司共同開發(fā)了“金屬水”水下聲隱身技術(shù)，通過在水下裝備的外部添加含聲學(xué)超材料的覆層，對聲波進(jìn)行引導(dǎo)而使目標(biāo)在主動聲納的探測下隱身。該技術(shù)將引起水下裝備隱身領(lǐng)域的變革，并最終改變水下戰(zhàn)場的作戰(zhàn)方式。該技術(shù)中的軟件技術(shù)已完成模擬環(huán)境下對分系統(tǒng)的驗證，材料技術(shù)完成了實驗室環(huán)境下對部件的驗證，整體概念中的關(guān)鍵概念通過了實驗驗證。
三、美國海軍資助多家企業(yè)開展聲學(xué)超材料的應(yīng)用研究
自2008年起美國海軍資助韋德林格、艾森技術(shù)等公司進(jìn)行聲隱身超材料的項目研究。研究均分為三個階段:
第一階段（2008-2010），通過計算模擬對材料的結(jié)構(gòu)進(jìn)行精細(xì)設(shè)計以獲得具有獨特彈性性能的聲學(xué)超材料；
第二階段（2010-2013）對聲學(xué)超材料進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，并進(jìn)行水下隱身測試。（2012年艾森技術(shù)公司驗證了該公司在此項目下研發(fā)的聲隱身超材料能對21英寸的圓柱體產(chǎn)生良好的隱身效果。）2014年韋德林格再次獲得資助，開展原理樣機(jī)的設(shè)計和開發(fā)。
第三階段（技術(shù)轉(zhuǎn)化機(jī)會）計劃與“弗吉尼亞”號核潛艇的主要承包商（如諾格公司、洛馬公司等）開展實際應(yīng)用上的合作。
盡管目前聲學(xué)超材料技術(shù)的轉(zhuǎn)化還有很長的路要走，但它的應(yīng)用前景很明確，可用于任何易于被聲納檢測到的水下系統(tǒng)，如潛艇、水下無人潛器等。水下戰(zhàn)中心紐波特分部、水面戰(zhàn)中心巴拿馬分部和卡迪洛克分部都對該項技術(shù)表現(xiàn)出極大的興趣。
四、結(jié)語
目前，美國已經(jīng)完成了對聲學(xué)超材料探測聲波的隱身效應(yīng)的驗證，并開始進(jìn)行實際應(yīng)用的探索。一旦技術(shù)成功轉(zhuǎn)化將對潛艇等水下裝備的隱身產(chǎn)生變革性影響，在未來水下戰(zhàn)場占領(lǐng)先機(jī)。
（來源：藍(lán)海星智庫，作者：慕南）
