基于宽带阻抗匹配层的水-气声通信示意图。中国科学院声学研究所供图

基于宽频阻抗匹配层的水-气声通信实验验证。中国科学院声学研究所供图

跨介质的水-气声通信能高效实现吗？中国科研团队最新完成的一项声学超材料结合研究成果给出了肯定的答案。

记者11月7日从中国科学院声学研究所获悉，该所噪声与音频声学实验室博士研究生周萍及其导师杨军研究员、贾晗研究员等开展合作研究，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，实现从水到空气的阻抗间隙，并设计出宽频水-气阻抗匹配层，通过仿真和实验验证了该匹配层在宽频范围内的声透射增强效果，从而实现高效的跨介质的水-气声通信。

由中国科研团队完成的这项声学研究领域重大突破成果论文，近日在国际专业学术期刊《应用物理通讯》（Applied Physics Letter）被主编选为特色文章发表，并获美国物理学联合会《科学之光》周刊推介报道。

据科研团队介绍，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。

为实现高效的水-气声通信，科研团队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指数分布的水-气梯度阻抗匹配层。

随后，科研团队制作出匹配层样品，在水槽中分别测试了有无匹配层下的能量透射，结果表明，其所设计的匹配层能在880至1760赫兹（Hz）范围内，实现平均16.7分贝（dB）的声能量透射增强。

本项研究中，该团队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99.95%，实现了水和空气间的高容量精确通信。

科研团队表示，他们这项研究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应用前景。