“未见其人，先闻其声”，反映了声和 光之间的不同，同样都是波，为什么在有障 碍物的时候，声能使我们听见，而光却不能 让我们看见，这是由于声波的长波长特性， 能有效的绕过障碍物，使我们的耳朵能够听 见。虽然长波长的特性使得声波能轻松的越 过障碍物进行传播， 但也使得声波更加的“散 漫”，四散传播，不能像光那样仅沿一个方 向前进，使得其应用受到较大的限制。

　　从古至今，声音一直伴随着我们人类， 人类也一直致力于往声音中加入自己的想 法， 使其更加“有序”。要想让声波更有“想 法”，需从声波的三要素出发，声源、介质 和接收端，改变其中的任意一环，都能使声 波按照我们的想法进行传播。建于公元前 20 年的古罗马剧院，整个剧场呈半圆形，围绕 着整个舞台，且座位依次向后逐渐增高，如 图 1 所示，这样的设计保证了剧场中各个位置的听众都能获得更好的听觉效果，且该结 构设计一直沿用至今。根据声波的传播特性， 古代的人们从接收端加入了自己的“想法”， 使得听众能更好的的接收到声音。

　　图 1 古罗马剧院

　　而今天，人们不再满足于被动的接收声 波，想从一开始就改变声波的传输，按照我 们的“想法”进行传播。声波的本质就是由 振动产生的机械波，碰到障碍物的时候会发 生反射，在接收端的信号反馈中会体现出障 碍物的信号。但如果仅让声波一直向前传播， 碰到障碍物不反射， 就间接的呈现出一种“透 明”的效应， 如图 2 所示， 即所谓的声隐身。 人们无需对接收端进行任何改动，仅改变声 波传输的介质，使其按照人们的“想法”进 行传播，达到人们想要的隐身效果。

　　图 2 声隐身效应　　

　　如果将这样的材料覆盖到我们的潜艇 上，在水下航行时，如同披上了哈利波特的隐身衣一般，如入无人之境。有人可能会问 这种材料只是对声波隐身，但可以用其他的 波进行探测。但是在海洋环境中，别说电磁 波，就是声波在远距离传输过程中也会存在 较大的衰减，频率越高的波衰减越快，所以 声波是水下探测的唯一手段。当水下潜艇拥 有这样的一件隐身衣后，一切的声呐探测装 置就基本“失明”，如图 3 所示，这在水下 作战中将具有重要的战略意义。

　　图 3 声呐探测系统

　　除此之外，人们还想让声波做出“违背 常理”的现象，对于入射到两介质交界处的 一束波，会由于两介质波矢的差异，发生折 射，如我们日常看到水中筷子的弯折现象。 我们所熟悉的折射定律通常认为，折射波与 入射波位于法线同侧。但是，研究者们偏偏 想让声波反其道而行，折射波与入射波处于 法线异侧，如图 4 所示。但其实这并没有违 背物理定律，我们所熟悉的折射定律仅针对 折射波波矢为正的情况，而当折射波波矢为 负时，则需要对折射定律进行扩展，也就产 生了所谓的“负折射”效应。

　　图 4 声负折射效应

　　虽然声波比较“散漫”，但一直也没有 妨碍人们想将其“会聚”到一起的心。从小 我们就玩过放大镜，将其放在太阳底下，调 整放大镜的位置，在地面上会出现一个小圆 斑，我们知道这是放大镜将太阳光都汇聚到 了一起。同样的，人们也想将声波会聚到一 块，改变它们原有的“散漫”特性。借鉴于 光学的放大镜原理，人们制作了类似的声学 “放大镜”，将声波汇聚于一点，如图 5 所 示，同时也将绝大部分能量汇聚于该处，这 便是 HIFU 治疗的原理，如图 6 所示。该原 理能够将体外低能量的超声波束聚焦于体内 患处，基于焦点处高强度的能量，使病变部 位的组织温度骤升， 从而使患处的组织坏死， 实现定点消融，又不会对其他部位的组织造 成损伤，从而实现体外的无创治疗，能够有 效减轻患者的手术疼痛，极大的促进了医学 的发展。

　　图 5 声聚焦效应

　　图 6 HIFU 治疗原理

　　如今，我们的身边也充满了各种基于声 波的产品，如我们经常使用的降噪耳机，分 为主动降噪和被动降噪，主动降噪即耳机产 生与环境噪声相等的反向声波与其抵消，被 动降噪则利用了隔声的设计来实现对噪声的 物理隔绝。但随着我们对电子器件智能化需 求的不断提升， 主动降噪无疑是最佳的选择， 它使得耳机能更智能的发出有“想法”的声 波。不仅如此，如今宇航员在执行航天任务 时，会受到火箭发动机、气动激振等产生的 噪声及宇航服装置运行时产生的噪声这不仅 影响宇航员的太空作业，还会对宇航员的身 体健康造成伤害，在宇航员头盔内可以通过 引入耳机的主动降噪功能，有效降低噪声， 保证宇航员的太空作业，如图 7 所示。随着 宇航员装备的不断更新换代，新的降噪技术 也必将取代耳机等传统降噪方法，使宇航员 能够更自如的完成太空任务。

　　姜恒，研究员，中国科学 院微重力重点实验室。研究领 域：1)智能材料与结构力学 设计及应用；2)先进声学材 料原理分析与结构优化；3) 异种金属激光 3D 打印机理研 究与技术研发。

　　图 7 宇航员头盔噪声

　　声一直是我们身边重要的一部分，让声 波更有“想法”的传输，不仅能产生更多的 新奇现象，还能丰富我们的听觉感受。给声 波多一些空间，发挥更多的“想法”。

　　[1] Zigoneanu L., Popa B. I., Cummer S. A. Three-dimensional broadband omnidirectional acoustic ground cloak. Nat. Mater. 2014, 13(4):

　　352.

　　[2] Y. Xie, W. Wang, H . Chen, et al . Wavefront modulation and subwavelength d i ffra c t i ve a c o u st i c s wi t h a n a c o ust i c metasurface. Nat. Commun. 2014, 5, 5553.

　　[3] Wu X., Xia X., Tian J., et al. Broadband reflective metasurface for focusing underwater ultrasonic waves with linearly tunable focal length. Appl. Phys. Lett. 2016, 108(16): 3966.

　　姜恒，研究员，中国科学 院微重力重点实验室。研究领 域：1)智能材料与结构力学 设计及应用；2)先进声学材 料原理分析与结构优化；3) 异种金属激光 3D 打印机理研 究与技术研发。

　　杨洮，中国科学院微重力 重点实验室 2017 级硕博连读 研究生，导师是王育人研究 员。研究方向是声学超材料。