空氣和水之間有“壁”，這事你知道么？
想想你在岸上聽見過魚的叫聲么？（別懷疑，魚真的會叫）
還有，你知道花樣游泳比賽時，水上水下都要有音響設備么？
圖片來源：veer圖庫
這樣的經驗似乎在告訴我們，空氣中和水下是難以共享一個聲音世界的，聲音彷佛在空氣和水的交界處碰到了“銅墻鐵壁”，這是為什么呢？這個“壁”要怎么打破呢？
聲音透過水-氣交界面，能量強度減弱了1000倍
這就要從聲音在不同介質中的傳播特點說起了。
大家都知道，聲波是一種機械波，聲波的傳播依賴于機械振動在介質中的傳遞。在不同的介質中，聲振動的傳遞能力會有所不同，這種傳遞能力的差異可以由介質的聲阻抗來反映。
介質的聲阻抗由介質的密度(單位：kg/m3)和聲速(單位：m/s)的乘積來表征，不同介質之間的聲阻抗差異稱為阻抗不匹配。兩種介質的聲阻抗差異越大，則表明聲波在兩種介質中的傳播能力差別越大。
因此，當聲波入射到兩種介質的交界面時，兩種介質的聲阻抗差異越大，聲波在界面處透射的能量就越低，聲能量透射系數和兩種介質聲阻抗的關系可表示為：
其中R1和R2分別為兩種介質的聲阻抗。
聲音在透過水-氣交界面前后，聲能量強度減弱了1000倍（圖片來源：作者繪制）
對于水和空氣而言，常溫下，空氣的聲阻抗為415 kg/m2·s, 而水的聲阻抗為1480000 kg/m2·s ,兩者之間的聲阻抗相差約3600倍。因此，當聲波入射到水和空氣的交界面時，僅有0.1%的聲能量能透過水-氣交界面。也就是說，聲音在透過水-氣交界面前后，聲能量強度減弱了1000倍。聲音在水和空氣之間的極低透射，使得潛入水中的花樣游泳運動員難以聽到岸上播放的音樂，這也就是花樣游泳比賽中需要在水上和水下同時布置音響設備的原因。
有了這個器件，水-氣透聲不是夢~
怎么才能實現聲音在水和空氣之間的跨介質傳輸呢？
既然聲音在水和空氣交界面的低透射來源于水和空氣巨大的阻抗差，那我們只要在水和空氣之間搭建一座聲阻抗的“橋梁”（如下圖中綠色曲線所示）來補足這個阻抗差異就行了呀！
原理示意圖（圖片來源：作者繪制）
有了這座 “橋梁”，聲音就能如圖中黃色信號所示沿著漸變的阻抗梯度，實現在水和空氣之間的“流通”。
是不是聽起來 so easy！話雖如此，要實現起來卻并不那么容易，因為我們目前還難以在自然界找到能覆蓋從水到空氣聲阻抗范圍的材料。現有的基于空氣背景介質的超材料或者基于水背景介質的超材料面對如此大的阻抗差異也顯得力不從心。因此，過往針對水-氣透聲的研究主要集中在基于共振的窄帶聲透射，而這大大限制了水-氣透聲的應用前景。
近日, 中國科學院聲學研究所的楊軍研究員團隊創新性地提出了水下空心構型聲學超材料，將空氣組分和單元的幾何形狀引入作為新的調節自由度,極大地拓展了水下聲學超材料可實現的聲學參數范圍，并進一步結合空氣中周期排列的方柱構成的聲學超材料，成功填補了從水到空氣的聲阻抗間隙，并設計出了水-氣梯度聲阻抗匹配層，從而實現了從水到空氣的寬頻聲能量透射。相關研究成果發表在了應用物理學期刊 Applied Physics Letter上，并受到了Scilight周刊的專訪報道。
水下空心構型聲學超材料（圖片來源：參考文獻1）
那這個匹配層到底能實現什么樣的效果呢？研究人員在文中提供了一個示例，示例中所設計的水-氣梯度聲阻抗匹配層實驗測試結果能在880 Hz到1760 Hz的范圍內，實現平均16.7分貝，最高25.5分貝的透射聲能量增強。25.5分貝是什么水平呢？這就相當于安裝上這個匹配層以后，相比沒有匹配層時，透射的聲能量被增強了350倍，可以說是成功“破壁”了！
水-氣“破壁”，作用比你想象的還要大
圖中的圓形部分代表超材料，通過它可以實現水-氣透聲（圖片來源：中國科學院聲學研究所）
為啥要研制這種能實現水-氣透聲的材料？
如果能夠實現水-氣透聲，不僅能使得潛入水中的花樣游泳運動員能聽見空氣中播放的音樂，還能在海洋探測等更廣闊的應用場景中發揮作用。
現有的海洋探測主要依賴于聲納在海洋中進行掃描探測，并將收集到的信息傳回母船，探測手段和傳遞路徑繁復，信息探測周期較長。若能實現水-氣透聲，我們便能直接使用機載聲音傳感器系統對水下世界進行探測，能極大地縮短探測周期，精簡探測和信息傳遞流程，提升海洋探測的效率。
除了能帶來海洋探測方式的革新外，實現水和空氣間的有效聲傳輸對于緩解海洋噪聲污染也有著重要的作用。
一項夏威夷大學和澳大利亞科廷大學的聯合研究表明，在海洋采礦中僅一個礦井發出的噪聲就可以傳播大約500公里，其足以對該范圍內海洋生物的感覺器官產生重創。海洋油氣勘探中所使用的勘探氣槍出的聲音更是在200分貝以上，這些噪聲在水-氣交界面和海床間不斷反射，在海洋中綿延傳播數千公里，單次氣槍導致浮游動物的死亡率高達40%-60%。
未來若能將水-氣透聲器件有效地集成到采礦和航行的船只上，我們便能在水-氣界面為這些海洋噪聲打開一個出口，將這些在海洋中難以衰減的噪聲傳輸到空氣中進行擴散衰減，從而還海洋生物一個寧靜的家園。
參考文獻：
[1] Ping Zhou, Han Jia, Yafeng Bi, Yunhan Yang, Yuzhen Yang, Peng Zhang, Jun Yang. Water-air acoustic communication based on broadband impedance matching. Applied Physics Letter,123,191701 (2023).
作者：周萍
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