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中國團隊突破水-氣跨介質聲通信技術 聲學超材料賦予我們新可能
2023年11月08日 11:41:22
來源：化工儀器網 作者：小王 點擊量：5206
跨介質通信作為當下的研究熱點，在近年來受到了業內高度關注，大量的假設以及成果脫穎而出，但其中，能夠根本上解決水-氣跨介質聲通信效率問題的技術卻并不多見。而從實用性角度來說，水-氣跨介質聲通信技術是實現水下平臺與陸地平臺、空中平臺互聯互通的關鍵，尤其是在人類對海洋世界的探索與開發不斷深入的今天，這項技術也顯得尤為重要。
【化工儀器網 行業百態】跨介質通信作為當下的研究熱點，在近年來受到了業內高度關注，大量的假設以及成果脫穎而出，但其中，能夠根本上解決水-氣跨介質聲通信效率問題的技術卻并不多見。而從實用性角度來說，水-氣跨介質聲通信技術是實現水下平臺與陸地平臺、空中平臺互聯互通的關鍵，尤其是在人類對海洋世界的探索與開發不斷深入的今天，這項技術也顯得尤為重要。
而就在最近，中國科學院團隊成功實現了高效水-氣跨介質聲通信，為海洋勘探、海洋生物成像以及海洋網絡構建等眾多領域提供了重要的技術基礎。
水-氣跨介質聲通信的難點
高中物理中就提過，水與空氣都可以作為聲波遠距離傳播的介質，這也是高效水-氣跨介質聲通信理論上可行的基礎，但是阻抗的存在則增加了實施的難度。簡單的說就是聲音在跨越水-氣界線的時候會出現損耗，并且這種損耗非常大，這也是水-氣跨介質聲通信的根本難點。
具體來說，由于水和空氣之間存在巨大的阻抗差異，當聲波直接入射到水-氣界面時，聲波便會發生反射現象，僅僅只有有0.1%的聲能量能透過界面傳播。當然也不是說沒有解決辦法，只是過去基于于共振的窄帶聲音傳輸方案，會限制通信容量和效率，并非理想的應用方式。
聲學超材料帶來的可能性
事實上，知道了問題所在，解決問題的方向也就基本明確了。據悉，中國科學院團隊將解決問題的重心放在了協同調節梯度匹配層中的聲速和厚度上，根據相關資料中提到的就是“將每一層的聲學參數調節到一個可實現的范圍，并利用空氣中的超材料和水中的空心構型超材料實現指數分布的水-氣梯度阻抗匹配層”。
而在后續的實驗中，科研團隊也證明了其設計并使用的聲學超材料結構能夠在880至1760赫茲(Hz)范圍內，實現平均16.7分貝(dB)的聲能量透射增強，并且傳輸準確率達到99.95%，相當于已經實現了高容量精確通信與高效通訊兩個目的。
據悉，目前該成果已經在國際專業學術期刊《應用物理通訊》(Applied Physics Letter)發表，并且被美國物理學聯合會《科學之光》周刊推薦報道，同時我們也有理由相信其后續的發展能夠為眾多應用場景帶來新的可能。
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