記者8日從中國科學院聲學研究所獲悉，該所研究人員利用超材料，成功實現水-氣跨介質高效通信。相關研究成果在發表于應用物理學著名期刊《應用物理快報》的同時，被美國物理學聯合會《科學之光》周刊報道。

基于寬帶阻抗匹配層的水-氣聲通信示意圖。中國科學院聲學研究所供圖

隨著人類對海洋世界的探索與開發逐漸深入，實現水氣間的跨介質通信變得十分重要。聲波在水和空氣中都能夠遠距離傳播，因此被認為是實現水-氣跨介質通信的最可行載體。

然而，由于聲波在水和空氣之中傳播的難易程度存在巨大差異，當聲波直接入射到水-氣界面時，僅有0.1%的聲能量可以透過界面傳播，這給基于聲波的水-氣通信帶來了巨大的挑戰。同時，以往針對水-氣傳輸的研究，多數集中在基于共振的窄帶聲音傳輸方向，這極大地限制了通信的容量和效率。

為實現基于聲波的高效水-氣跨介質通信，中國科學院聲學所楊軍團隊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，設計出寬頻水-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，進而實現了基于聲波的水-氣跨介質高效通信。

“在這項研究中，我們首先調節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，構建出指數分布的水-氣梯度阻抗匹配層?！睏钴娊忉?。

更重要的是，研究團隊還制作出匹配層樣品，在水槽中分別測試了有無匹配層下的聲能量透射效果。測試結果表明，在880赫茲到1760赫茲范圍內，他們設計的匹配層的聲能量透射增強效果平均達16.7分貝。研究團隊進一步將聲學所的所徽圖案編碼在匹配層的透射頻帶內，在13個通道并行傳輸，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。

楊軍表示，這項研究成果在海洋勘探、海洋生物成像以及海洋網絡構建等眾多領域，具有廣闊的應用前景。

來源：科技日報