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。
為了實現高效的水-氣聲通信，中國科學院聲學研究所噪聲與音頻聲學實驗室的博士研究生周萍及其導師楊軍研究員、賈晗研究員等人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。相關研究成果2023年11月6日發表于應用物理學著名期刊Applied Physics Letter，被主編選為特色文章（Featured articles），同時被美國物理學聯合會《科學之光》（AIP Scilight）周刊以 Gradient-impedance metafluids enable broadband water-air sound signal transmission 為題進行報道。Scilight 是AIP出版的網絡周刊，致力于挑選AIP上新發表的最具有代表性和突破性的文章進行專訪報道。
在該工作中，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。研究人員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的應用前景。
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）、聲學研究所前沿探索項目（No. QYTS202110）的資助。
圖1 基于寬帶阻抗匹配層的水-氣聲通信示意圖（圖/中國科學院聲學研究所）
圖2 基于寬頻阻抗匹配層的水-氣聲通信實驗驗證（圖/中國科學院聲學研究所）
關鍵詞：
協同設計 阻抗匹配 寬頻水-氣透射 水-氣通信
參考文獻：
ZHOU Ping, JIA Han, BI Yafeng, YANG Yunhan, YANG Yuzhen, ZHANG Peng, YANG Jun. Water-air acoustic communication based on broadband impedance matching. Applied Physics Letter, 123, 191701 (2023). DOI: 10.1063/5.0168562
論文鏈接：
https://doi.org/10.1063/5.0168562
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