【仪表网 研发快讯】 南京大学物理学院声学研究所、近代声学教育部重点实验室、人工微结构科学与技术协同创新中心刘京京、梁彬、程建春等人在跨域系统中的声场多维调控方面取得重要进展，利用人工材料突破水空界面声传输屏障和声波操控维度限制，首次实现了跨水空介质的高保真声全息和单载波声通信。相关研究成果分别以“High-fidelity cross-media acoustic holography through a passive meta-projector with synergistic amplitude–phase control”和“High-dimensional multiplexed metamaterial for cross-media all-sound communication”为题先后发表于材料学领域著名期刊Materials Horizons上。
与光可以在真空中传播不同，声音必须依赖空气、水或固体等介质才能传播。然而，当声音从一种介质进入另一种介质时，却常常会遇到一道难以跨越的“无形屏障”。这是因为气体、液体和固体具有截然不同的声学特性，当声波到达两种介质的交界面时，大量声能会被反射回来，只有很少一部分能够继续向前传播。以水、空气介质为例，两者声阻抗相差约三个数量级(3600倍)，理论上仅有约0.1%的声能量能够自由透过水—空气界面。一个直观的例子来自花样游泳。运动员在水下很难直接听清泳池上方扬声器播放的音乐，因此实际训练和比赛通常需要在水下同步设置专门的扬声设备，让音乐能够直接传入水中。类似的问题不仅存在于日常生活，也广泛出现在超声诊疗和无损检测等关键领域。
现有基于天然材料或声人工材料的阻抗匹配技术虽然能够一定程度上增强不同介质间的声能透射效率，却无法对跨介质声波的幅度、相位、频率等多个自由度进行协同、独立地调控。这一局限使跨域声场调控面临“传得过去但传不快且调不精”问题，也限制了声波跨介质作用的距离、能量利用效率以及信息传输容量和速率。如何突破不同介质间的声学边界，并在跨介质传播过程中实现对声场多维信息的精确操控，已成为现代声学亟待解决的关键科学问题。
针对上述难题，课题组首先提出了一种基于声超材料的跨介质声波幅度—相位协同调控新机制(图1)。通过在亚波长尺度内巧妙融合阻抗匹配与阻抗失配两类结构单元，打破了传统抗反射结构中声波幅度与相位相互“绑定”的固有限制，使跨越水—空气界面的声波幅度和相位可以分别按需调控，为跨介质声场操控提供了新的自由度(图2)。在此基础上，研究团队研制出一种无源跨域声全息“投影仪”，将声学全息从传统单一介质系统拓展到复杂的水—空气跨介质场景。借助这一新原理器件，水中的简单入射声波在穿越水—空气界面后，可以被“重塑”为预先设计的复杂空气声场，如同给声音装上了一台能够跨越不同介质工作的“投影仪”。数值模拟和实验均验证了这一功能，重构声场与目标图案的相似度超过90%，表明复杂声学信息能够跨越水—空气界面实现高保真传递(图3)。这一机制的价值还不止于“让声音跨界成像”。研究团队进一步展示了其在跨介质非接触粒子操控中的应用潜力：利用空气中产生的声波，经人工界面调控后在水下形成特定声场，从而驱动微小颗粒按照预设图案进行远程、非接触式排列与组装。
进一步，课题组提出并研制了一种具备跨介质全维度声场调控能力的新型多维复用超材料，能够同时操控声波的频率、相位、幅度和角动量等多个信息维度，突破了跨域系统中声波可操控维度的限制，为多维声信息跨域复用与处理提供了新的物理平台。以跨水空域通信为例，研究团队利用该超材料构建了一种结构紧凑的无源复用中继器。与传统中继设备仅负责信号转发不同，这一器件将“中继”与“解码”功能集成于同一系统：一方面，可将携带不同角动量和频率信息的多路复用声信号高效地从水中传递至空气中；另一方面，还能够在水—空气界面直接对这些复用信息进行物理分离和解码，将原本需要复杂接收阵列及后端信号处理完成的部分功能前移至材料本身，从而显著简化接收端系统。实验中，研究团队实现了以声音为单一载波的复杂图像信息在水—空气两种介质之间的实时、高速、高保真传输，并进一步验证了该系统在背景噪声和界面波动等实际条件下的稳定性与鲁棒性。不同于现有跨域通信通常依赖有源中继设备和载波转换的技术路线，该方法利用无源人工结构和声波为单一载波直接完成跨介质信息传输，为构建更加轻量化、集成化的跨域通信系统提供了新的实现路径，也展示了多维复用超材料在水—空一体化通信等场景中的应用潜力。
其中，高保真跨介质声全息工作以南京大学物理学院为第一单位，在读博士生宋怡璠和已毕业的谭杨博士为共同第一作者，刘京京助理教授、梁彬教授和程建春教授为论文的共同通讯作者；单载波跨域声通信工作以南京大学物理学院为第一单位，已毕业的武凯博士为第一作者，刘京京助理教授、梁彬教授、程建春教授和马德里高等材料研究所的Johan Christensen教授为论文的共同通讯作者，该工作还得到国际科技媒体Tech Xplore的专文报道。相关工作得到教育部基础学科和交叉学科突破计划、国家重点研发计划、国家自然科学基金、江苏省自然科学基金、江苏省物理科学研究中心、南京大学“789科技攻关计划”项目和中国科协青年人才托举工程等项目资助。
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