近日, 加拿大西安大略大學(xué)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(xué)所宋延林團(tuán)隊、青島大學(xué)等合作報道了一種在水面處構(gòu)建的聲學(xué)透射超表面，其可作為 “聲窗”來增強水上和水下聲學(xué)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(diào)節(jié)，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(xué)、通信工程、海洋生物學(xué)等研究領(lǐng)域具有重要意義。
隨著人類對海洋資源的開發(fā)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(jìn)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(dāng)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(dāng)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(xiàn)聲波在水氣間的跨介質(zhì)傳輸一直是一個挑戰(zhàn)。
水中的氣泡作為一種最簡單的聲學(xué)超材料，具有著獨特的聲學(xué)性質(zhì)。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(xiàn)了多種應(yīng)用。比如，他們實現(xiàn)了氣泡的反奧斯瓦爾德生長調(diào)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(xué)控制（Sci. Adv. 2021; 7 : eabi7498），以及利用控制Cassie態(tài)和Wenzel態(tài)交替出現(xiàn)的方法制備氣泡陣列（ACS Appl. Mater. Interfaces, 2019, 12, 1757）。在氣泡聲學(xué)方面，他們利用可控的氣泡實現(xiàn)了聲波調(diào)控，如水下反射超表面的構(gòu)建，三維氣泡聲子晶體的構(gòu)建和應(yīng)用等（Adv. Funct. Mater. 2019, 29, 1906984）。最近，他們在水面附近構(gòu)建一層氣泡，并詳細(xì)研究了他們的聲學(xué)性質(zhì)，提出了一種可調(diào)節(jié)的流體類型的聲學(xué)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(gòu)建及原理
有詩歌說，世界上最遙遠(yuǎn)的距離是飛鳥與魚的距離。其實，它們的“遙遠(yuǎn)”不只是源于其完全不同的棲息環(huán)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(xiàn)它們的聲學(xué)交流，結(jié)構(gòu)如下圖1a-c所示。使用帶有中空結(jié)構(gòu)的3D疏水框架在水中捕獲一層氣泡，通過調(diào)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(zhì)量的一個彈簧振子系統(tǒng)，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(fā)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(diào)節(jié)浸沒深度，共振頻率可靈活地調(diào)控，并且聲波增透效果具有魯棒性，因此通過簡單調(diào)節(jié)浸沒深度，就可以實現(xiàn)工作頻率的調(diào)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(xué)透射超表面的結(jié)構(gòu)及性質(zhì)
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(yù)測其工作頻率。作者首先設(shè)置了具有隨機幾何參數(shù)的框架結(jié)構(gòu)，用彈簧振子的并聯(lián)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(jié)構(gòu)具有多個共振頻率的特點，可實現(xiàn)多頻率的透射，如圖2c-f所示。在不考慮阻尼損耗，假設(shè)每層結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的工作頻率ω的通用表達(dá)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(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬計算，驗證了此結(jié)論（圖f）。
圖2. 利用彈簧并聯(lián)和串聯(lián)模型預(yù)測其工作頻率
要點三：實用性和穩(wěn)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(zhàn)。作者指出，因氣泡結(jié)構(gòu)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(shù)設(shè)計范圍。但是，氣泡一旦形成后，其穩(wěn)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(nèi)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(xué)性能的影響（大于通常氣溫變化），發(fā)現(xiàn)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(wěn)定性，具有實用性價值。
圖3. 聲學(xué)超表面的穩(wěn)定性分析
要點四：水上和水下的聲學(xué)信息通訊驗證
聲學(xué)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(jié)構(gòu)可以用于增強水下物體和水上物體的聲學(xué)傳導(dǎo)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?shù)娇諝庵校部梢允褂每諝庵械膿P聲器從空氣中向水下發(fā)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?lián)P聲器等等。
圖4. 聲學(xué)超表面對聲信號傳輸?shù)膽?yīng)用演示
相關(guān)研究論文以“Tunable Fluid-type Metasurface for Wide-angle and Multifrequency Water-air Acoustic Transmission”為題發(fā)表在期刊 Research上。論文的第一作者為加拿大西安大略大學(xué)博士后黃占東和青島大學(xué)趙勝東副教授，通訊作者是加拿大西安大略大學(xué)楊軍教授和蔡小兵博士，以及中科院化學(xué)所宋延林研究員。此工作受到了中科院聲學(xué)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/
