把徽標從水中傳到空氣中，怎么做到的？

原文地址：http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2023/11/511860.shtm

近日，中國科學院聲學研究所博士生周萍，研究員楊軍、賈晗等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，實現了從水到空氣的阻抗間隙，并設計出了寬頻水-氣阻抗匹配層，通過仿真和實驗驗證了匹配層在寬頻范圍內的聲透射增強效果，并實現了跨介質的水-氣聲通信。11月6日，該研究在線發表于《應用物理快報》。

  ?

基于寬帶阻抗匹配層的水-氣聲通信示意圖圖源自中國科學院聲學研究所

隨著人類對海洋世界的探索，實現水氣間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-氣通信帶來了巨大的挑戰。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。

研究人員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了指數分布的水-氣梯度阻抗匹配層。

研究人員還制作了匹配層樣品，在水槽中分別測試了有無匹配層下的能量透射，結果表明所設計的匹配層能在880Hz到1760Hz范圍內實現平均16.7dB的聲能量透射增強。

“我們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，傳輸準確率達到了99.95%，實現了水和空氣間的高容量精確通信。”該論文的第一作者周萍說。

周萍表示，該研究所實現的基于寬帶阻抗匹配的水-氣聲通信在海洋勘探，海洋生物成像以及海洋網絡構建等領域具有重要應用前景。

該研究得到了廣東省重點領域研究開發項目（No.2020B010190002）、國家自然科學基金（No.11874383, No.12104480）、中國科學院聲學研究所前沿探索項目（No. QYTS202110）的資助。

相關論文信息：