我科学家实现水—气跨介质高效通信

科技日报北京11月8日电 （记者陆成宽）记者8日从中国科学院声学研究所（以下简称“声学所”）获悉，该所研究人员利用超材料，成功实现水—气跨介质高效通信。相关研究成果发表于应用物理学著名期刊《应用物理快报》，并被美国物理学联合会《科学之光》周刊报道。

随着人类对海洋世界的探索与开发逐渐深入，实现水气间跨介质通信变得十分重要。声波在水和空气中都能够远距离传播，因此被认为是实现水—气跨介质通信的最可行载体。

然而，由于声波在水和空气之中传播的难易程度存在巨大差异，当声波直接入射到水—气界面时，仅有0.1%的声能量可以透过界面传播，这给基于声波的水—气通信带来了巨大挑战。同时，以往针对水—气传输的研究多集中在基于共振的窄带声音传输方向，这极大地限制了通信的容量和效率。

为实现基于声波的高效水—气跨介质通信，声学所杨军团队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，设计出宽频水—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能量透射增强效果，进而实现了基于声波的水—气跨介质高效通信。

“在这项研究中，我们首先调节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，构建出指数分布的水—气梯度阻抗匹配层。”杨军解释道。

更重要的是，研究团队还制作出匹配层样品，在水槽中分别测试了有无匹配层下的声能量透射效果。测试结果表明，在880—1760赫兹，匹配层的声能量透射增强效果平均达16.7分贝。研究团队进一步将声学所的所徽图案编码在匹配层的透射频带内，在13个通道并行传输，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。

杨军表示，该成果在海洋勘探、海洋生物成像等领域具有广阔的应用前景。