近日，厦门大学物理系陈焕阳教授课题组基于Fabry-Pérot (FP)共振效应提出了一种三维全向被动声学幻象的可行方案。利用变换声学和Mie散射理论进行了严格的解析验证，并设计实现了简化版的三维声学幻象器件。相关研究成果以“Three-dimensional omnidirectional acoustic illusion”为题，于2022年8月19日在线发表在《Physical Review Applied》杂志上，成果被Nature等亮点报道。

关键词

三维声学幻象，变换声学，FP共振，全向性

    在无尽的沙漠中，绝望的旅行者被沙丘间神奇的海市蜃楼所吸引，这样的故事并不陌生。海市蜃楼是由不同密度空气层中光线弯曲而形成的假象。声学幻象同样使人痴迷，实现的关键在于物体欺骗探测器来隐藏自己或类似于另一个物体。坐标变换技术为无源幻象器件带来了更多可能性，但极端且复杂的材料和结构限制了实用性。是否有更简单的方法来设计和实现可行的三维幻象壳层?

    为了实现完美幻象，坐标变换极端拉伸压缩而引起的强各向异性材料是不可行的。当壳层材料参数满足沿r方向FP共振条件并保证内外边界阻抗匹配时，可以在保持恒定相位的情况下实现内外边界间的完美传输。由于外边界在该变换方法下并不改变，外部的声压也不会发生变化。不失一般性，利用Mie散射理论对平面波入射下的经典情况（球形）进行了解析计算，幻象器件和等效的物体在一系列共振频率上具有相同的任意阶散射系数。遍布高尔夫球的凹坑可以使球飞得更远，凹坑形状和大小并不固定，这蕴含着丰富的空气动力学和表面几何原理。参考经典高尔夫球的表面划分,课题组进一步利用光敏树脂设计并制备了一个简化版的声学幻象器件。

图1  (a)基于孔洞超材料的幻象装置  (b)摄于厦大高尔夫球场  (c)摄于消声实验室

图2 理论计算平面波入射下x-y切面声压分布。(a)小球包覆上幻象层“听起来”就像(b)另一个具有不同材料参数的大球的散射场。(c)，(d)分别为仅有幻象壳层和内部小球的散射场。其中大尺寸的幻象壳层的作用是精确地消除和重建声场。

图3 高斯声束入射下数值和实验结果。(a)被幻象壳层覆盖的小球(ρ₁=ρ₀，κ₁ = κ₀)仿真和实验结果对比，(b)相应的近场分布。(c)等效大球(ρ₁=0.5ρ₀, κ₁ =2κ₀)和幻象器件的仿真结果对比，(d)相应的近场图。

图4 高斯声束入射下数值和实验结果。(a)幻象壳覆盖的光敏树脂小球归一化压力分布的模拟和实验结果，(b)相应的近场分布。(c)等效光敏树脂大球的模拟和实验结果，(d)相应的近场分布。

结论

    研究人员经过严格解析计算，提出了一种三维声学全向幻象，通过精确地消除和重建声场将一个物体“转换”为另一个物体。作为该策略的具体实施，该幻象壳层可以通过在实体壳上沿径向线性收缩截面的FP腔密集穿孔来实现。理论预测与实验测量结果吻合较好。此外，该全向幻象器件极大地简化了材料参数，促进了设计结构的实际应用，适用于不同入射源及不同形状。这种独特而简单的方法可能会在现代声学装置的设计中找到许多应用，如建筑声学和反声纳探测伪装等。该成果被Nature等亮点报道。该工作是在国家自然科学基金、深圳市基础研究面上项目、国家重点研发计划、中央高校基础研究基金以及中国留学基金委的资助下完成。

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