加拿大西安大略大学杨军课题组、中科院化学所宋延林团队等合作构建 “声窗”实现空气和水之间的声学通讯

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近日, 加拿大西安大略大学杨军教授（目前在电子科大深圳高等研究院工作）课题组、中科院化学所宋延林团队、青岛大学等合作报道了一种在水面处构建的声学透射超表面，其可作为 “声窗”来增强水上和水下声学通讯。声波通过此超表面时，透过率可增强20 dB以上。“声窗”厚度约为声波在水中波长的千分之一，工作频率可灵活调节，并允许声波宽角度及多频率水气透射。此超表面好似在水面处为声波传输打开了一个“窗户”，使声能透过率提高了200倍以上，在水声学、通信工程、海洋生物学等研究领域具有重要意义。

随着人类对海洋资源的开发利用，水上和水下的通讯变得十分重要。在空气中，虽然电磁波和声波都可作为载体来传播信息，然而，由于电磁波在水中衰减很快，水中的通讯一般只能依靠声波来进行。因此，声波是一个潜在的通用工具可用于海洋、大气和陆地间的直接信息交流。然而，当声波遇到水面时，只有约0.1%的能量能够透射，绝大部分都反射掉了。声波穿过水气界面的损失是十分巨大的（约30 dB），，对于一个频率为500 Hz的平面波，其在均匀海水中的声波吸收约为0.025 dB/km, 那么声波穿越水气界面的损失相当于此声波在海洋中传播1200 km过程中海水吸收所造成的损失。因此，水气界面是声波传输中难以逾越的屏障，实现声波在水气间的跨介质传输一直是一个挑战。

水中的气泡作为一种最简单的声学超材料，具有着独特的声学性质。作者多年来集中于对气泡、液滴等流体界面的精确控制，并实现了多种应用。比如，他们实现了气泡的反奥斯瓦尔德生长调控和图案化制备（Nat. Commun. 2017, 8,14110），并提出了任意不相容界面的二维图案化（Adv. Mater. 2018, 30, 1802172）和三维流体界面图案及动力学控制（Sci. Adv. 2021; 7 : eabi7498），以及利用控制Cassie态和Wenzel态交替出现的方法制备气泡阵列（ACS Appl. Mater. Interfaces, 2019, 12, 1757）。在气泡声学方面，他们利用可控的气泡实现了声波调控，如水下反射超表面的构建，三维气泡声子晶体的构建和应用等（Adv. Funct. Mater. 2019, 29, 1906984）。最近，他们在水面附近构建一层气泡，并详细研究了他们的声学性质，提出了一种可调节的流体类型的声学超表面，其可作为“声窗”来增强水下和水上的声波通讯。

本文要点

要点一：“声窗”的构建及原理

有诗歌说，世界上最遥远的距离是飞鸟与鱼的距离。其实，它们的“遥远”不只是源于其完全不同的栖息环境，还在于很难听见彼此的声音。本工作提出一种超表面可以实现它们的声学交流，结构如下图1a-c所示。使用带有中空结构的3D疏水框架在水中捕获一层气泡，通过调控重力和浮力，此气泡层在水中的浸没深度能被精确地控制。这时，就形成了以空气层为弹簧，以上面的水为质量的一个弹簧振子系统，在其共振频率附近，声波可以高效率地穿过。具体原理时，声波在两个气液界面处的反射波的振动相位差为π，发生了相干相消作用。而共振频率处，声能密度增大，气泡层向外辐射声波，从而增大了透射率。由于通过调节浸没深度，共振频率可灵活地调控，并且声波增透效果具有鲁棒性，因此通过简单调节浸没深度，就可以实现工作频率的调控，如下图1e所示，使用一个固体框架制备的超表面就可以在200-1000Hz间工作，透过增强都在20 dB以上。同时，由于声波在水气界面全反射临界角很小（约为13.6°），此超表面可允许从水中向空气中的宽角度入射，如图1f所示。

图1. 声学透射超表面的结构及性质

演示视频1 “声窗”效果展示

要点二：工作频率的控制和多频率透射方法

由于工作频率在弹簧振子的共振频率附近，因此可用弹簧振子模型的共振频率计算方法来预测其工作频率。作者首先设置了具有随机几何参数的框架结构，用弹簧振子的并联模型去算共振频率，和有限元模拟吻合得很好（图2a-b）。同时，利用多层结构具有多个共振频率的特点，可实现多频率的透射，如图2c-f所示。在不考虑阻尼损耗，假设每层结构都相等的情形下（共振角频率都为ω₀），作者计算了任意n层结构的工作频率ω的通用表达式， 并指出他们具有n个工作角频率，其值都满足0 < ω ≤ 2ω₀。通过50层结构进行模拟计算，验证了此结论（图f）。

图2. 利用弹簧并联和串联模型预测其工作频率

要点三：实用性和稳定性分析

在实用中，气泡会受到来自静水水压、气体溶解性、以及气温变化的挑战。作者指出，因气泡结构十分接近于气液界面，水压很小、空气的溶解性也接近于饱和，因此，前两个影响因素可忽略不计。需要指出的是，在气泡制备过程中，水压影响很大，因为气泡的制备是一个等压过程（图3d上），一旦液压超过疏水作用允许的最大拉普拉斯压，气泡就无法制备，作者给出了具体的参数设计范围。但是，气泡一旦形成后，其稳定性不再显著受液压作用，此时气泡变成了一个等温压缩过程，气泡可以通过缩小体积来增大内部压强（图3d下），来抵御液压的增加。在温度方面，作者计算了温度从60℃到5℃变化对声学性能的影响（大于通常气温变化），发现其工作频率会偏移10%，透射率几乎不变（图3h-i）。作者还验证了此超表面可承受框架运动、水波等干扰因素，证明了此超表面具有好的稳定性，具有实用性价值。

图3. 声学超表面的稳定性分析

要点四：水上和水下的声学信息通讯验证

声学通讯需要多频率信息包的传递。为了验证此超表面的实用性，作者制作了在共振频率附近的一段音乐信号，验证其增透效果。如下图所示，与不使用此“声窗”对比，音乐信号的基频（图4d）和振幅（图4e）都得到了增强。因此，此结构可以用于增强水下物体和水上物体的声学传导和通讯。比如，可以让水下的扬声器以较小的功率把声波传输到空气中，也可以使用空气中的扬声器从空气中向水下发射声波，从而使用造价便宜的空气扬声器来替代昂贵的水下扬声器等等。

图4. 声学超表面对声信号传输的应用演示

相关研究论文以“Tunable Fluid-type Metasurface for Wide-angle and Multifrequency Water-air Acoustic Transmission”为题发表在期刊 Research上。论文的第一作者为加拿大西安大略大学博士后黄占东和青岛大学赵胜东副教授，通讯作者是加拿大西安大略大学杨军教授和蔡小兵博士，以及中科院化学所宋延林研究员。此工作受到了中科院声学研究所青岛分所的实验平台帮助，以及音乐人付俊杰帮助下制作的音乐旋律和音乐信号。

原文链接：

https://spj.sciencemag.org/journals/research/2021/9757943/

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