近日, 加拿大西安大略大學楊軍教授（目前在電子科大深圳高等研究院工作）課題組、中科院化學所宋延林團隊、青島大學等合作報道了一種在水面處構建的聲學透射超表面，其可作為 “聲窗”來增強水上和水下聲學通訊。聲波通過此超表面時，透過率可增強20 dB以上。“聲窗”厚度約為聲波在水中波長的千分之一，工作頻率可靈活調節，并允許聲波寬角度及多頻率水氣透射。此超表面好似在水面處為聲波傳輸打開了一個“窗戶”，使聲能透過率提高了200倍以上，在水聲學、通信工程、海洋生物學等研究領域具有重要意義。
隨著人類對海洋資源的開發利用，水上和水下的通訊變得十分重要。在空氣中，雖然電磁波和聲波都可作為載體來傳播信息，然而，由于電磁波在水中衰減很快，水中的通訊一般只能依靠聲波來進行。因此，聲波是一個潛在的通用工具可用于海洋、大氣和陸地間的直接信息交流。然而，當聲波遇到水面時，只有約0.1%的能量能夠透射，絕大部分都反射掉了。聲波穿過水氣界面的損失是十分巨大的（約30 dB），，對于一個頻率為500 Hz的平面波，其在均勻海水中的聲波吸收約為0.025 dB/km, 那么聲波穿越水氣界面的損失相當于此聲波在海洋中傳播1200 km過程中海水吸收所造成的損失。因此，水氣界面是聲波傳輸中難以逾越的屏障，實現聲波在水氣間的跨介質傳輸一直是一個挑戰。
水中的氣泡作為一種最簡單的聲學超材料，具有著獨特的聲學性質。作者多年來集中于對氣泡、液滴等流體界面的精確控制，并實現了多種應用。比如，他們實現了氣泡的反奧斯瓦爾德生長調控和圖案化制備（Nat. Commun. 2017, 8,14110），并提出了任意不相容界面的二維圖案化（Adv. Mater. 2018, 30, 1802172）和三維流體界面圖案及動力學控制（Sci. Adv. 2021; 7 : eabi7498），以及利用控制Cassie態和Wenzel態交替出現的方法制備氣泡陣列（ACS Appl. Mater. Interfaces, 2019, 12, 1757）。在氣泡聲學方面，他們利用可控的氣泡實現了聲波調控，如水下反射超表面的構建，三維氣泡聲子晶體的構建和應用等（Adv. Funct. Mater. 2019, 29, 1906984）。最近，他們在水面附近構建一層氣泡，并詳細研究了他們的聲學性質，提出了一種可調節的流體類型的聲學超表面，其可作為“聲窗”來增強水下和水上的聲波通訊。
本文要點
要點一：“聲窗”的構建及原理
有詩歌說，世界上最遙遠的距離是飛鳥與魚的距離。其實，它們的“遙遠”不只是源于其完全不同的棲息環境，還在于很難聽見彼此的聲音。本工作提出一種超表面可以實現它們的聲學交流，結構如下圖1a-c所示。使用帶有中空結構的3D疏水框架在水中捕獲一層氣泡，通過調控重力和浮力，此氣泡層在水中的浸沒深度能被精確地控制。這時，就形成了以空氣層為彈簧，以上面的水為質量的一個彈簧振子系統，在其共振頻率附近，聲波可以高效率地穿過。具體原理時，聲波在兩個氣液界面處的反射波的振動相位差為π，發生了相干相消作用。而共振頻率處，聲能密度增大，氣泡層向外輻射聲波，從而增大了透射率。由于通過調節浸沒深度，共振頻率可靈活地調控，并且聲波增透效果具有魯棒性，因此通過簡單調節浸沒深度，就可以實現工作頻率的調控，如下圖1e所示，使用一個固體框架制備的超表面就可以在200-1000Hz間工作，透過增強都在20 dB以上。同時，由于聲波在水氣界面全反射臨界角很小（約為13.6°），此超表面可允許從水中向空氣中的寬角度入射，如圖1f所示。
圖1. 聲學透射超表面的結構及性質
要點二：工作頻率的控制和多頻率透射方法
由于工作頻率在彈簧振子的共振頻率附近，因此可用彈簧振子模型的共振頻率計算方法來預測其工作頻率。作者首先設置了具有隨機幾何參數的框架結構，用彈簧振子的并聯模型去算共振頻率，和有限元模擬吻合得很好（圖2a-b）。同時，利用多層結構具有多個共振頻率的特點，可實現多頻率的透射，如圖2c-f所示。在不考慮阻尼損耗，假設每層結構都相等的情形下（共振角頻率都為ω0），作者計算了任意n層結構的工作頻率ω的通用表達式， 并指出他們具有n個工作角頻率，其值都滿足0 < ω ≤ 2ω0。通過50層結構進行模擬計算，驗證了此結論（圖f）。
圖2. 利用彈簧并聯和串聯模型預測其工作頻率
要點三：實用性和穩定性分析
在實用中，氣泡會受到來自靜水水壓、氣體溶解性、以及氣溫變化的挑戰。作者指出，因氣泡結構十分接近于氣液界面，水壓很小、空氣的溶解性也接近于飽和，因此，前兩個影響因素可忽略不計。需要指出的是，在氣泡制備過程中，水壓影響很大，因為氣泡的制備是一個等壓過程（圖3d上），一旦液壓超過疏水作用允許的最大拉普拉斯壓，氣泡就無法制備，作者給出了具體的參數設計范圍。但是，氣泡一旦形成后，其穩定性不再顯著受液壓作用，此時氣泡變成了一個等溫壓縮過程，氣泡可以通過縮小體積來增大內部壓強（圖3d下），來抵御液壓的增加。在溫度方面，作者計算了溫度從60℃到5℃變化對聲學性能的影響（大于通常氣溫變化），發現其工作頻率會偏移10%，透射率幾乎不變（圖3h-i）。作者還驗證了此超表面可承受框架運動、水波等干擾因素，證明了此超表面具有好的穩定性，具有實用性價值。
圖3. 聲學超表面的穩定性分析
要點四：水上和水下的聲學信息通訊驗證
聲學通訊需要多頻率信息包的傳遞。為了驗證此超表面的實用性，作者制作了在共振頻率附近的一段音樂信號，驗證其增透效果。如下圖所示，與不使用此“聲窗”對比，音樂信號的基頻（圖4d）和振幅（圖4e）都得到了增強。因此，此結構可以用于增強水下物體和水上物體的聲學傳導和通訊。比如，可以讓水下的揚聲器以較小的功率把聲波傳輸到空氣中，也可以使用空氣中的揚聲器從空氣中向水下發射聲波，從而使用造價便宜的空氣揚聲器來替代昂貴的水下揚聲器等等。
圖4. 聲學超表面對聲信號傳輸的應用演示
相關研究論文以“Tunable Fluid-type Metasurface for Wide-angle and Multifrequency Water-air Acoustic Transmission”為題發表在期刊 Research上。論文的第一作者為加拿大西安大略大學博士后黃占東和青島大學趙勝東副教授，通訊作者是加拿大西安大略大學楊軍教授和蔡小兵博士，以及中科院化學所宋延林研究員。此工作受到了中科院聲學研究所青島分所的實驗平臺幫助，以及音樂人付俊杰幫助下制作的音樂旋律和音樂信號。
原文鏈接：https://spj.sciencemag.org/journals/research/2021/9757943/
