仅由一种树脂组成的源转移元结构用于位置伪装

变换光学领域在过去十年蓬勃发展，使科学家能够设计基于超材料的结构来塑造和引导光的流动。隐形斗篷可能是最令人眼花缭乱的发明之一，隐形斗篷是一种理论上的织物，可以将入射光从穿戴者身上反射开，使他们隐形。有趣的是，这种错觉并不仅限于光的操纵。

转换光学中使用的许多技术已应用于声波，从而产生了转换声学的平行场。事实上，研究人员已经通过开发“声学斗篷”取得了实质性进展，“声学斗篷”类似于声音隐形斗篷。虽然对听觉错觉的研究主要集中在掩盖物体存在的概念上，但在位置伪装问题上并没有取得太大进展。

声源移位器的概念利用了一种结构，使声源的位置看起来与其实际位置不同。这种能够“声学位置伪装”的设备可以在高级全息术和虚拟现实中找到应用。不幸的是，人们几乎没有研究位置伪装的性质，而且事实证明，开发可提供良好性能的可访问材料和表面具有挑战性。

在此背景下，隶属于日本信州大学工程与能源景观建筑脑库 (ELab 2 ) 研究所的 Garuda Fujii 教授现已在开发高性能源转移器方面取得进展。在 2023 年 5 月 5 日在线发表在《声音与振动杂志》上的一项最新研究中，Fujii 教授介绍了一种创新方法，该方法使用丙烯腈丁二烯苯乙烯 (ABS)(一种常用于 3D 打印的弹性聚合物)设计源位移器结构。

藤井教授的方法围绕一个核心概念：基于拓扑优化的逆向设计。数值方法建立在虚拟源发出的压力场(声音)的再现之上，即附近的听众会错误地认为是真实的源。接下来，实际来源发出的压力场被操纵以伪装位置并使其听起来好像来自太空中的不同位置。这可以通过超结构的优化设计来实现，该超结构凭借其几何形状和弹性特性，可以最大限度地减少实际和虚拟源发出的压力场之间的差异。

利用这种方法，Fujii 教授实施了一种迭代算法，根据各种设计标准从数值上确定 ABS 树脂源移位器的最佳设计。他的模型和模拟必须考虑流体(空气)和固体弹性结构之间的声学​​弹性相互作用，以及现代制造技术的实际局限性。

仿真结果表明，优化后的结构可以将虚拟位置处掩蔽源与裸源发射压力场之间的差异降低至 0.6%。“尽管 ABS 的成分简单，不包含复杂的声学超材料，但通过拓扑优化获得的最佳结构配置在伪装实际声源位置方面表现出良好的性能”，Fujii 教授评论道。

为了进一步阐明潜在的伪装机制，藤井教授分析了虚拟源与实际源之间距离的重要性。他发现，更大的距离并不一定会降低源移位器的性能。他还研究了改变发出声音的频率对性能的影响，因为源移位器只针对一个目标频率进行了优化。最后，他探讨了是否可以对源移位器进行拓扑优化以在多个声音频率下运行。

虽然他的方法需要进一步微调，但这项研究的结果肯定有助于推进错觉声学。他总结道：“所提出的用于设计高性能源移位器的优化方法将有助于声学定位伪装的发展和全息技术的进步。”

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