近日, 加拿大西安大略大学杨军教授（目前在电子科大深圳高等研究院工作）课题组、中科院化学所宋延林团队、青岛大学等合作 道了一种在水面处构建的声学透射超表面，其可作为 “声窗”来增强水上和水下声学通讯。声波通过此超表面时，透过率可增强20 dB以上。“声窗”厚度约为声波在水中波长的千分之一，工作频率可灵活调节，并允许声波宽角度及多频率水气透射。此超表面好似在水面处为声波传输打开了一个“窗户”，使声能透过率提高了200倍以上，在水声学、通信工程、海洋生物学等研究领域具有重要意义。
要点一：“声窗”的构建及原理有诗歌说，世界上最遥远的距离是飞鸟与鱼的距离。其实，它们的“遥远”不只是源于其完全不同的栖息环境，还在于很难听见彼此的声音。本工作提出一种超表面可以实现它们的声学交流，结构如下图1a-c所示。使用带有中空结构的3D疏水框架在水中捕获一层气泡，通过调控重力和浮力，此气泡层在水中的浸没深度能被精确地控制。这时，就形成了以空气层为弹簧，以上面的水为质量的一个弹簧振子系统，在其共振频率附近，声波可以高效率地穿过。具体原理时，声波在两个气液界面处的反射波的振动相位差为π，发生了相干相消作用。而共振频率处，声能密度增大，气泡层向外辐射声波，从而增大了透射率。由于通过调节浸没深度，共振频率可灵活地调控，并且声波增透效果具有鲁棒性，因此通过简单调节浸没深度，就可以实现工作频率的调控，如下图1e所示，使用一个固体框架制备的超表面就可以在200-1000Hz间工作，透过增强都在20 dB以上。同时，由于声波在水气界面全反射临界角很小（约为13.6°），此超表面可允许从水中向空气中的宽角度入射，如图1f所示。
图1. 声学透射超表面的结构及性质
演示视频1 “声窗”效果展示
图2. 利用弹簧并联和串联模型预测其工作频率
图3. 声学超表面的稳定性分析
图4. 声学超表面对声信号传输的应用演示
原 链接：
https://spj.sciencemag.org/journals/research/2021/9757943/
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