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中国团队突破水-气跨介质声通信技术 声学超材料赋予我们新可能
2023年11月08日 11:41:22
来源：化工仪器网 作者：小王 点击量：5128
跨介质通信作为当下的研究热点，在近年来受到了业内高度关注，大量的假设以及成果脱颖而出，但其中，能够根本上解决水-气跨介质声通信效率问题的技术却并不多见。而从实用性角度来说，水-气跨介质声通信技术是实现水下平台与陆地平台、空中平台互联互通的关键，尤其是在人类对海洋世界的探索与开发不断深入的今天，这项技术也显得尤为重要。
【化工仪器网 行业百态】跨介质通信作为当下的研究热点，在近年来受到了业内高度关注，大量的假设以及成果脱颖而出，但其中，能够根本上解决水-气跨介质声通信效率问题的技术却并不多见。而从实用性角度来说，水-气跨介质声通信技术是实现水下平台与陆地平台、空中平台互联互通的关键，尤其是在人类对海洋世界的探索与开发不断深入的今天，这项技术也显得尤为重要。
而就在最近，中国科学院团队成功实现了高效水-气跨介质声通信，为海洋勘探、海洋生物成像以及海洋网络构建等众多领域提供了重要的技术基础。
水-气跨介质声通信的难点
高中物理中就提过，水与空气都可以作为声波远距离传播的介质，这也是高效水-气跨介质声通信理论上可行的基础，但是阻抗的存在则增加了实施的难度。简单的说就是声音在跨越水-气界线的时候会出现损耗，并且这种损耗非常大，这也是水-气跨介质声通信的根本难点。
具体来说，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，声波便会发生反射现象，仅仅只有有0.1%的声能量能透过界面传播。当然也不是说没有解决办法，只是过去基于于共振的窄带声音传输方案，会限制通信容量和效率，并非理想的应用方式。
声学超材料带来的可能性
事实上，知道了问题所在，解决问题的方向也就基本明确了。据悉，中国科学院团队将解决问题的重心放在了协同调节梯度匹配层中的声速和厚度上，根据相关资料中提到的就是“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”。
而在后续的实验中，科研团队也证明了其设计并使用的声学超材料结构能够在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，并且传输准确率达到99.95%，相当于已经实现了高容量精确通信与高效通讯两个目的。
据悉，目前该成果已经在国际专业学术期刊《应用物理通讯》(Applied Physics Letter)发表，并且被美国物理学联合会《科学之光》周刊推荐报道，同时我们也有理由相信其后续的发展能够为众多应用场景带来新的可能。
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