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中國科研團隊成功實現(xiàn)高效水-氣跨介質(zhì)聲通信

時間:2023-11-08來源:中國新聞網(wǎng) 作者:佚名

跨介質(zhì)的水-氣聲通信能高效實現(xiàn)嗎?中國科研團隊最新完成的一項聲學超材料結(jié)合研究成果給出了肯定的答案。

記者7日從中國科學院聲學研究所獲悉,該所噪聲與音頻聲學實驗室博士研究生周萍及其導(dǎo)師楊軍研究員、賈晗研究員等開展合作研究,首次將空氣中的超材料和水中的空心構(gòu)型聲學超材料結(jié)合,實現(xiàn)從水到空氣的阻抗間隙,并設(shè)計出寬頻水-氣阻抗匹配層,通過仿真和實驗驗證了該匹配層在寬頻范圍內(nèi)的聲透射增強效果,從而實現(xiàn)高效的跨介質(zhì)的水-氣聲通信。

                                                                   基于寬帶阻抗匹配層的水-氣聲通信示意圖。中國科學院聲學研究所  供圖

由中國科研團隊完成的這項聲學研究領(lǐng)域重大突破成果論文,近日在國際專業(yè)學術(shù)期刊《應(yīng)用物理通訊》(Applied Physics Letter)被主編選為特色文章發(fā)表,并獲美國物理學聯(lián)合會《科學之光》周刊推介報道。

據(jù)科研團隊介紹,隨著人類對海洋世界的探索與開發(fā),實現(xiàn)水氣間的跨介質(zhì)通信變得十分重要。由于聲波在水和空氣中均能夠遠距離傳播,因此被認為是實現(xiàn)水-氣跨介質(zhì)通信最可行的載體。然而,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,僅有0.1%的聲能量能透過界面?zhèn)鞑,這給基于聲波的水-氣通信帶來巨大的挑戰(zhàn)。以往針對水-氣傳輸?shù)难芯炕揪窒拊诨诠舱竦恼瓗曇魝鬏,這大大限制了通信容量和效率。

為實現(xiàn)高效的水-氣聲通信,科研團隊首先通過協(xié)同調(diào)節(jié)梯度匹配層中的聲速和厚度,將每一層的聲學參數(shù)調(diào)節(jié)到一個可實現(xiàn)的范圍,并利用空氣中的超材料和水中的空心構(gòu)型超材料實現(xiàn)指數(shù)分布的水-氣梯度阻抗匹配層。

隨后,科研團隊制作出匹配層樣品,在水槽中分別測試了有無匹配層下的能量透射,結(jié)果表明,其所設(shè)計的匹配層能在880至1760赫茲(Hz)范圍內(nèi),實現(xiàn)平均16.7分貝(dB)的聲能量透射增強。

基于寬頻阻抗匹配層的水-氣聲通信實驗驗證。中國科學院聲學研究所  供圖

本項研究中,該團隊進一步將聲學所的所徽圖案通過頻分復(fù)用的方式編碼在匹配層的透射頻帶內(nèi)進行傳輸,圖案以13個通道進行并行傳輸,傳輸準確率達到99.95%,實現(xiàn)了水和空氣間的高容量精確通信。

科研團隊表示,他們這項研究工作中所實現(xiàn)的基于寬帶阻抗匹配的水-氣聲通信,對于海洋勘探、海洋生物成像以及海洋網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建等眾多領(lǐng)域具有重要應(yīng)用前景。(完)

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