随着人类对海洋世界的探索与开发，实现水气间的跨介质通信变得十分重要。由于声波在水和空气中均能够远距离传播，因此被认为是实现水-气跨介质通信最可行的载体。然而，由于水和空气之间存在巨大的阻抗差异，当声波直接入射到水-气界面时，仅有0.1%的声能量能透过界面传播，这给基于声波的水-气通信带来了巨大的挑战。以往针对水-气传输的研究基本局限在基于共振的窄带声音传输，这大大限制了通信容量和效率。
为了实现高效的水-气声通信，中国科学院声学研究所噪声与音频声学实验室的博士研究生周萍及其导师杨军研究员、贾晗研究员等人首次将空气中的超材料和水中的空心构型声学超材料结合，实现了从水到空气的阻抗间隙，并设计出了宽频水-气阻抗匹配层，通过仿真和实验验证了匹配层在宽频范围内的声透射增强效果，并实现了跨介质的水-气声通信。相关研究成果2023年11月6日发表于应用物理学著名期刊Applied Physics Letter，被主编选为特色文章（Featured articles），同时被美国物理学联合会《科学之光》（AIP Scilight）周刊以 Gradient-impedance metafluids enable broadband water-air sound signal transmission 为题进行报道。Scilight 是AIP出版的网络周刊，致力于挑选AIP上新发表的最具有代表性和突破性的文章进行专访报道。
在该工作中，研究人员首先通过协同调节梯度匹配层中的声速和厚度，将每一层的声学参数调节到一个可实现的范围，并利用空气中的超材料和水中的空心构型超材料实现了指数分布的水-气梯度阻抗匹配层。研究人员还制作了匹配层样品，在水槽中分别测试了有无匹配层下的能量透射，结果表明所设计的匹配层能在880Hz到1760Hz范围内实现平均16.7dB的声能量透射增强。研究人员进一步将声学所的所徽图案通过频分复用的方式编码在匹配层的透射频带内进行传输，图案以13个通道进行并行传输，传输准确率达到了99.95%，实现了水和空气间的高容量精确通信。
该工作中所实现的基于宽带阻抗匹配的水-气声通信对于海洋勘探，海洋生物成像以及海洋网络构建等众多领域具有重要的应用前景。
该研究得到了广东省重点领域研究开发项目（No.2020B010190002）、国家自然科学基金（No.11874383, No.12104480）、声学研究所前沿探索项目（No. QYTS202110）的资助。
图1 基于宽带阻抗匹配层的水-气声通信示意图（图/中国科学院声学研究所）
图2 基于宽频阻抗匹配层的水-气声通信实验验证（图/中国科学院声学研究所）
关键词：
协同设计 阻抗匹配 宽频水-气透射 水-气通信
参考文献：
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
论文链接：
https://doi.org/10.1063/5.0168562
AIP Scilight报道：