作者：噪聲與音頻聲學(xué)實(shí)驗(yàn)室 周萍
隨著人類對(duì)海洋世界的探索與開發(fā)，實(shí)現(xiàn)水氣間的跨介質(zhì)通信變得十分重要。由于聲波在水和空氣中均能夠遠(yuǎn)距離傳播，因此被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)水-氣跨介質(zhì)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(dāng)聲波直接入射到水-氣界面時(shí)，僅有0.1%的聲能量能透過界面?zhèn)鞑?，這給基于聲波的水-氣通信帶來了巨大的挑戰(zhàn)。以往針對(duì)水-氣傳輸?shù)难芯炕揪窒拊诨诠舱竦恼瓗曇魝鬏?，這大大限制了通信容量和效率。
為了實(shí)現(xiàn)高效的水-氣聲通信，中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所噪聲與音頻聲學(xué)實(shí)驗(yàn)室的博士研究生周萍及其導(dǎo)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(gòu)型聲學(xué)超材料結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了從水到空氣的阻抗間隙，并設(shè)計(jì)出了寬頻水-氣阻抗匹配層，通過仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了匹配層在寬頻范圍內(nèi)的聲透射增強(qiáng)效果，并實(shí)現(xiàn)了跨介質(zhì)的水-氣聲通信。相關(guān)研究成果2023年11月6日發(fā)表于應(yīng)用物理學(xué)著名期刊Applied Physics Letter，被主編選為特色文章（Featured articles），同時(shí)被美國(guó)物理學(xué)聯(lián)合會(huì)《科學(xué)之光》（AIP Scilight）周刊以?Gradient-impedance metafluids enable broadband water-air sound signal transmission?為題進(jìn)行報(bào)道。Scilight?是AIP出版的網(wǎng)絡(luò)周刊，致力于挑選AIP上新發(fā)表的最具有代表性和突破性的文章進(jìn)行專訪報(bào)道。
在該工作中，研究人員首先通過協(xié)同調(diào)節(jié)梯度匹配層中的聲速和厚度，將每一層的聲學(xué)參數(shù)調(diào)節(jié)到一個(gè)可實(shí)現(xiàn)的范圍，并利用空氣中的超材料和水中的空心構(gòu)型超材料實(shí)現(xiàn)了指數(shù)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(cè)試了有無匹配層下的能量透射，結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的匹配層能在880Hz到1760Hz范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)平均16.7dB的聲能量透射增強(qiáng)。研究人員進(jìn)一步將聲學(xué)所的所徽?qǐng)D案通過頻分復(fù)用的方式編碼在匹配層的透射頻帶內(nèi)進(jìn)行傳輸，圖案以13個(gè)通道進(jìn)行并行傳輸，傳輸準(zhǔn)確率達(dá)到了99.95%，實(shí)現(xiàn)了水和空氣間的高容量精確通信。
該工作中所實(shí)現(xiàn)的基于寬帶阻抗匹配的水-氣聲通信對(duì)于海洋勘探，海洋生物成像以及海洋網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建等眾多領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景。
該研究得到了廣東省重點(diǎn)領(lǐng)域研究開發(fā)項(xiàng)目（No.2020B010190002）、國(guó)家自然科學(xué)基金（No.11874383, No.12104480）、聲學(xué)研究所前沿探索項(xiàng)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(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所）
圖2?基于寬頻阻抗匹配層的水-氣聲通信實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證（圖/中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所）
關(guān)鍵詞：
協(xié)同設(shè)計(jì) 阻抗匹配 寬頻水-氣透射 水-氣通信
參考文獻(xiàn)：
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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