在水面为声音传播开扇“窗”

声学透射超表面示意图。受访者供图

“世界上最遥远的距离，是飞鸟与鱼的距离。一个翱翔天际，一个却深潜海底。”

这是泰戈尔脍炙人口的情诗。其实，飞鸟和鱼的“遥远”不只是“距离”，还在于它们听不到彼此。

近日, 加拿大西安大略大学教授杨军课题组、中科院化学研究所宋延林团队、青岛大学副教授赵胜东等合作，发现了荷叶等自然界中超疏水结构可以增强水气间声波透射的新效应。该效应可作为“声窗”增强水上水下声音通信，在水声学、通信工程、海洋生物学等研究领域具有重要意义。相关研究已在Research、《ACS应用材料与界面》等期刊发表。

跨越“水气屏障”

随着人类对海洋资源的开发利用，水上和水下通信变得十分重要。

在空气中，电磁波和声波都可作为载体来传播信息。但由于电磁波在水中衰减很快，水中通信一般只能依靠声波进行，因此，声波成为潜在的海洋、大气和陆地间直接信息交流的工具。

“当声波遇到水面时，会在水气界面遇到‘水气屏障’。”宋延林告诉《中国科学报》，“声波穿过水气界面时能量损失巨大，只有约0.1%的能量能透射过去，其中绝大部分都反射掉了。”

例如，对于一个频率为500赫兹的声波平面波，其每公里被海水吸收约0.025分贝, 而声波穿越水气界面的损失约30分贝，相当于声波在海洋中传播1200公里距离海水吸收所造成的损失。因此，水气界面是声波传输中难以逾越的屏障。此外，水气间的声波传输还面临不稳定、声学超材料工作频率低于声呐工作频率、声呐工作频率的宽角度透射问题还未解决等诸多挑战。

近年来，研究人员利用疏水或超疏水特性，在水中捕获阵列化的气泡结构，研究其声学性质，并实现了多种声学应用，发展出“超疏水声学”。比如，受超疏水结构启发创建的气泡阵列，用于声学反射超表面来增强水下声波反射，以及利用疏水结构或者荷叶等在水面附近处捕获气泡层，创建声学透射超表面，其可作为“声窗”增强水下和水上的声波通信。

构建“声窗”

在一个30厘米见方的透明水槽中，漂浮着工作人员精心设计的3D打印疏水结构。

实验装置刚启动，“嗡嗡”的蜂鸣声立即“刺进”耳膜。工作人员伸出双手，将这种疏水结构缓缓抬起，随即慢慢放下。一起一落间，那“嗡嗡”声似乎从我们面前去了遥不可及的远处，未及我们作出反应，它又倏而返回。

“在实验中，我们还验证了荷叶等超疏水结构的‘荷叶透声效应’。”该论文第一作者、加拿大西安大略大学博士后黄占东告诉《中国科学报》，“声波通过这种超表面时，透过率可增强20分贝以上，这种超表面好似在水面处为声波传输打开了一个‘窗户’。”

虽然“荷叶效应”已经被发现了100多年，然而，其超疏水效应产生的声学效应却很少被报道。

最初的实验中，研究人员直接把荷叶倒扣在水面上，来验证荷叶表面的声学透射性。由于荷叶具有超疏水性，在荷叶表面和水层之间会产生一个极薄的空气层，激光共聚焦测量显示，此空气层的厚度大概为20微米。

“这样在水面就形成了一个以空气层为弹簧、以荷叶自身质量为振子的弹簧振子系统，此弹簧振子的共振频率处，水气间的声波透射可以得到数百倍的增强。”黄占东说，“需要注意的是，只有荷叶倒扣在水面上才会有这样的效果，正常生长的荷叶没有这样的效应。”

研究人员分析了荷叶结构的振动模态，发现其为荷叶自身振动模态和弹簧振子系统振动模态的叠加。但在荷叶本征频率附近，并不具有声波透射增强效果，因而其透射曲线上会有很多断点。

通过推导和分析，研究人员解释了这一现象，并通过模拟证明，用增大荷叶模量的方法消除了这些断点。这证明了荷叶等超疏水结构漂浮在水面上时，形成的微米级的气层可用于水气声波透射，能够克服目前水气界面声波传输的难题。

锁定超疏水铝片

“荷叶具有季节依赖性、结构脆弱性、物理参数难以调控等弱点。”中科院化学研究所博士生赵志鹏告诉《中国科学报》，“而且，其自身本征振动会对增强效果产生不良影响，因此寻找替代性人工材料具有重要的实用价值。”

通过多种超疏水材料比对，研究人员将荷叶替代材料锁定在超疏水铝片上。首先，铝的弹性模量（材料受力状态下应力与应变之比）比荷叶大5个数量级以上，可以忽略自身振动模态对透射效果的影响。其次，铝片的可加工性很强，可以灵活地改变自身质量和表面疏水微结构，从而灵活调控工作频率。

研究人员分别用激光刻蚀、湿法刻蚀和喷涂法制备了不同的超疏水结构，展示了其在不同频率下的增透效果。实验表明，当他们制备的超疏水结构正面朝下时，可捕获气层形成超表面，其超疏水效应可“将原来被反射掉声波的透射率提高400倍以上”。

“制作这种超疏水铝片工艺简单，成本也很低，我们印刷版材有类似的工艺。”宋延林说，“而且，此超表面允许声波从水中以不同角度向空气中入射（宽角度透射），这在应用上，能真正实现水下和地面信息的方便互联。”

研究者认为，这种超表面在水声学、通信工程、海洋生物学等研究领域具有重要应用前景。未来该超表面可以用于机载声音传感器系统对水下物体进行检测和成像，有望实现在空气中对水下物体如鱼群等成像和监控，以及水下机器人的远程操作等。此外，该超表面还可在空中搜索海底的黑匣子、监测黑匣子发出的信号等。（记者 张双虎）