美海军在研隐身材料可帮潜艇躲避雷达声纳探测

日期:2019-11-22编辑作者:军事资讯

声学超材料具有改变声波反射路径的能力,例如到达该材料的声波不产生回波而实现隐身。这意味着它可能吸收而不是反射声波,因此使物体实现声隐身。

  美国杜克大学超材料中心助理研究教授亚罗斯拉夫•乌尔朱莫夫(Yaroslav Urzhumov)称,一种兼具声学隐身和液体隐身系统的复合材料的研发是可行的,但是不会很快出现。未来当这种材料出现的时候,最终的产品形态将会是一种具有良好透水性的网眼状材料。

[据英国工程师网站2014年3月12日报道]美国杜克大学的工程师们在军方资助下,推出了世界上第一个三维声学斗篷,该设备可以使声波绕过,斗篷内任何东西都无法用声波探测。

媒体:中国潜艇或采用新材料 能迷惑敌方声纳

DTU正在与世界上许多大学共同合作开展研究,一旦成功将有望实现理想的完全声隐身。

  水下航行的潜艇仍然能够暴露自身的位置。物体在水下运动时会在海水表面产生突起的水丘,这一现象被称为“伯努利水丘”(上图红色区域),即便潜艇在水下1000英尺的深度航行,依然可以被探测到。任何水面舰艇、潜艇在航行时都会产生V形尾流(上图绿色区域),这一现象被称为“开尔文尾流”,该尾流同样能够在海水表面探测得到。液体隐身衣能够消除“伯努利水丘”和“开尔文尾流”所带来的影响。

实验表明,该技术是可行的,Cummer认为这项技术有几个潜在的商业应用。我们在空气中进行了测试,水下声波也类似,所以一个显而易见的潜在应用是回避声纳,Cummer说,但礼堂、音乐厅的设计—任何地方你需要控制音响也可以应用。

在杂志《物理评论应用》中,郑海荣团队证明了:这种新材料会在不同温度下表现出不同的声学特性。例如,提高摄氏温度20度,其声音频率将改变20%。

(原标题:多所大学正在开展声学超材料研究以助力潜艇隐身)

  完全隐身

为了达到这个目标,Cummer和他的同事们转向超材料,用天然材料的重复组合模式来实现人工属性。为了研制新的声学斗篷,操控声波行为的材料是塑料和空气。搭建起来后,该设备看起来就像几个重复模式的带孔塑料基板堆在一起,类似于一个金字塔。

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DTU的研究人员称,超材料涂层可能帮助潜艇几乎不被声纳探测到,因而军事部门可能最先对这类研究感兴趣。目前,主要使用声纳或其他声学手段探测目标,一旦实现声隐身,将对水下战产生巨大影响(中国船舶信息中心 慕南、晓梦)

  微弱扰流

美国北卡罗莱纳杜克大学电气和计算机工程教授Steven Cummer表示,该斗篷的特殊之处在于针对声波隐藏对象,将这件斗篷盖在物体上,声波表现得像那里什么也没有,“仅有一个平面”。

为了不被发现,潜艇不仅要避开敌方的主动声纳波束,而且还要避免自己身产生的低频声音,例如发动机或船员发出声音,以免被敌人的探听装置发现。吴九汇表示:“目前没有任何潜艇能够逃脱低频探测,但是我们的研究将会改变海洋中的猎杀游戏。”“军方想要简单的解决方案,因为这将是最可靠的。他们可能更喜欢直接的隐形能力,而不是伪装。”(原标题:媒体:中国潜艇或采用新材料 能迷惑敌方声纳)

许多科研机构都在进行声学超材料的研发工作,包括加州大学伯克利分校,德国卡尔斯鲁理工学院以及香港科技大学。DTU负责理论建模,而其他合作者正在进行应用试验。

  科学家可以通过利用不同密度的材料进行结合来形成超材料,从而达到折射声波的目的。当声波接触到超材料的时候,其传播速度被加快,当离开的时候,速度被降低,整个过程声波不会发生失真。到目前为止,科学家已经使用椎体和圆柱体等简单形状的物体进行了隐身试验。据乌尔朱莫夫介绍,拥有更加复杂形状的物体也同样能够进行隐身。(中国船舶工业综合技术经济研究院  宋磊)

这项研究受到了来自美国海军研究办公室和美国陆军研究办公室的多学科大学研究计划资助。

中国科学院深圳先进技术研究院的研究人员成功研发了一种类似变色龙的陶瓷型材料,这种材料能够巧妙的处理与之发生接触的声波,例如由反潜舰船发出的、可识别水下威胁的脉冲。这就意味着,负责分析潜艇声波图的声纳操作员,会误以为目标潜艇是一条鲨鱼,或是一个庞大的鱼群,甚至是友方潜艇。

 

Cummer在一份声明中说:“我们建造的结构看起来简单…但我向你保证,这是一个非常复杂的结构,而且比看起来有趣。我们把大量的精力投入到计算声波将如何与之交互作用。这并不是一蹴而就的事情。”

由于声子晶体在军事和民用领域的具有非常广阔的应用前景,很多国家均已开展了相关研究。2015年初,新加坡研究人员表示:从理论上讲,潜艇可以通过涂装声子晶体涂料来躲避声纳探测。

  声学隐身衣利用了超材料,这是一种工程化的复合材料,能够表现出某种特定的如磁性和光折射等自然属性。舰艇应用了这种材料,能够使声波在接触到船体外壳的时候沿船体发生折射,进而躲避声纳的探测。液体隐身衣能够改变船体周围的水流,可隐藏任何尾流或紊流,以此消除雷达带来的威胁。这两种材料在理论上都能够作为外壳材料用于现有的攻击型潜艇。美国海军研究局拒绝对隐身衣项目发表任何评论,但是目前可以明确的是已经有其它的一些军兵种正在从事这项工作——如美国海军在2009年便已开始的超材料反制与破坏项目。

为了产生下面没有物体的错觉,斗篷必须改变声波的轨迹,以匹配反射到平面上的样子。因为声音无法到达下表面,所以传递距离更短,速度必须放慢以进行补偿。

香港南华早报10月19日文章称,两个中国科学家团队成功研制了两种使潜艇能够避开敌人水下声纳系统探测的新材料,一种能够将潜艇变成一条“变色龙”,另一种则类似哈利波特的“隐形斗篷”。

  更强的隔音能力

美国杜克大学开发出世界首个三维声隐身斗篷

不过,在资金支持下,第二支中国科学家团队取得了更大的成就。西安交通大学机械工程学院教授吴九汇表示,他的团队已经研发出了潜艇用“隐形斗篷”的原型产品。即使在很低的频率,其涂层材料也能够使智能手机大小的物体避开声纳的探测。

  零尾流

为了测试隐身设备,研究人员用斗篷盖住一个小球体,然后从不同角度发射短的声脉冲。他们使用麦克风绘制声波响应,并制作声波在空中通过的视频。实验结果显示该斗篷在声波中的表现如同声波反射到一个空表面。

研究人员将这类材料称之为声子晶体。近几年来,研究人员研发出了各种形式的声子晶体,用以控制、引导和操纵声波在气体、液体以及固体中的传输,但这些都有一个限制,即:一旦制造成形,其物理性质就会固定不变,为敌方提供了跟踪其声学特征的机会。不过,以中科院深圳先进技术研究院研究员郑海荣为首的中国研发团队通过以类似变色龙改变颜色的方式来改变声子晶体的声波图,使控制声子晶体的能力成为可能,进而攻克了这一难关。

  液体隐身衣将包含有数百个与水上摩托的结构类似的小型喷水装置。水流会加速流入超材料本身的孔隙中,然后在流出的时候速度减缓。流入流出前后,水流速度不发生变化,水流会无缝地闭合在潜艇四周,完全不会产生水流的扰动。

这个声隐身设备可以在三维任何一个角度起作用,无论声音是来自哪个方向或观察者的位置在哪里。该设备未来有望应用在声纳回避和建筑声学上等。

  据美国大众科技网站2012年1月11日报道 海洋中探测隐身潜艇主要依赖两种手段,即声纳和雷达。声纳的工作原理是利用舰艇反弹回的声波进行探测,雷达的工作原理是其能够在水面或水下探测到潜艇产生的微弱扰流。目前科学家正在研究全新的声学隐身衣和液体隐身衣来使潜艇躲避声纳和雷达的探测。

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