跨介質的水-氣聲通信能高效實現嗎？中國科研團隊最新完成的一項聲學超材料結合研究成果給出了肯定的答案。
記者7日從中國科學院聲學研究所獲悉，該所噪聲與音頻聲學實驗室博士研究生周萍及其導師楊軍研究員、賈晗研究員等開展合作研究，首次將空氣中的超材料和水中的空心構型聲學超材料結合，實現從水到空氣的阻抗間隙，并設計出寬頻水-氣阻抗匹配層，通過仿真和實驗驗證了該匹配層在寬頻范圍內的聲透射增強效果，從而實現高效的跨介質的水-氣聲通信。
由中國科研團隊完成的這項聲學研究領域重大突破成果論文，近日在國際專業學術期刊《應用物理通訊》(Applied Physics Letter)被主編選為特色文章發表，并獲美國物理學聯合會《科學之光》周刊推介報道。
據科研團隊介紹，隨著人類對海洋世界的探索與開發，實現水氣間的跨介質通信變得十分重要。由于聲波在水和空氣中均能夠遠距離傳播，因此被認為是實現水-氣跨介質通信最可行的載體。然而，由于水和空氣之間存在巨大的阻抗差異，當聲波直接入射到水-氣界面時，僅有0.1%的聲能量能透過界面傳播，這給基于聲波的水-氣通信帶來巨大的挑戰。以往針對水-氣傳輸的研究基本局限在基于共振的窄帶聲音傳輸，這大大限制了通信容量和效率。
為實現高效的水-氣聲通信，科研團隊首先通過協同調節梯度匹配層中的聲速和厚度，將每一層的聲學參數調節到一個可實現的范圍，并利用空氣中的超材料和水中的空心構型超材料實現指數分布的水-氣梯度阻抗匹配層。
隨后，科研團隊制作出匹配層樣品，在水槽中分別測試了有無匹配層下的能量透射，結果表明，其所設計的匹配層能在880至1760赫茲(Hz)范圍內，實現平均16.7分貝(dB)的聲能量透射增強。
本項研究中，該團隊進一步將聲學所的所徽圖案通過頻分復用的方式編碼在匹配層的透射頻帶內進行傳輸，圖案以13個通道進行并行傳輸，傳輸準確率達到99.95%，實現了水和空氣間的高容量精確通信。
科研團隊表示，他們這項研究工作中所實現的基于寬帶阻抗匹配的水-氣聲通信，對于海洋勘探、海洋生物成像以及海洋網絡構建等眾多領域具有重要應用前景。(完)
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