空气和水之间有“壁”，这事你知道么？

想想你在岸上听见过鱼的叫声么？（别怀疑，鱼真的会叫）

还有，你知道花样游泳比赛时，水上水下都要有音响设备么？

图片来源：veer图库

这样的经验似乎在告诉我们，空气中和水下是难以共享一个声音世界的，声音彷佛在空气和水的交界处碰到了“铜墙铁壁”，这是为什么呢？这个“壁”要怎么打破呢？

声音透过水-气交界面，能量强度减弱了1000倍

这就要从声音在不同介质中的传播特点说起了。

大家都知道，声波是一种机械波，声波的传播依赖于机械振动在介质中的传递。在不同的介质中，声振动的传递能力会有所不同，这种传递能力的差异可以由介质的声阻抗来反映。

介质的声阻抗由介质的密度(单位：kg/m3)和声速(单位：m/s)的乘积来表征，不同介质之间的声阻抗差异称为阻抗不匹配。两种介质的声阻抗差异越大，则表明声波在两种介质中的传播能力差别越大。

因此，当声波入射到两种介质的交界面时，两种介质的声阻抗差异越大，声波在界面处透射的能量就越低，声能量透射系数和两种介质声阻抗的关系可表示为：

其中R1和R2分别为两种介质的声阻抗。

声音在透过水-气交界面前后，声能量强度减弱了1000倍（图片来源：作者绘制）

对于水和空气而言，常温下，空气的声阻抗为415 kg/m2·s, 而水的声阻抗为1480000 kg/m2·s ,两者之间的声阻抗相差约3600倍。因此，当声波入射到水和空气的交界面时，仅有0.1%的声能量能透过水-气交界面。也就是说，声音在透过水-气交界面前后，声能量强度减弱了1000倍。声音在水和空气之间的极低透射，使得潜入水中的花样游泳运动员难以听到岸上播放的音乐，这也就是花样游泳比赛中需要在水上和水下同时布置音响设备的原因。

有了这个器件，水-气透声不是梦~

怎么才能实现声音在水和空气之间的跨介质传输呢？

既然声音在水和空气交界面的低透射来源于水和空气巨大的阻抗差，那我们只要在水和空气之间搭建一座声阻抗的“桥梁”（如下图中绿色曲线所示）来补足这个阻抗差异就行了呀！

原理示意图（图片来源：作者绘制）

有了这座 “桥梁”，声音就能如图中黄色信号所示沿着渐变的阻抗梯度，实现在水和空气之间的“流通”。

是不是听起来 so easy！话虽如此，要实现起来却并不那么容易，因为我们目前还难以在自然界找到能覆盖从水到空气声阻抗范围的材料。现有的基于空气背景介质的超材料或者基于水背景介质的超材料面对如此大的阻抗差异也显得力不从心。因此，过往针对水-气透声的研究主要集中在基于共振的窄带声透射，而这大大限制了水-气透声的应用前景。

近日, 中国科学院声学研究所的杨军研究员团队创新性地提出了水下空心构型声学超材料，将空气组分和单元的几何形状引入作为新的调节自由度,极大地拓展了水下声学超材料可实现的声学参数范围，并进一步结合空气中周期排列的方柱构成的声学超材料，成功填补了从水到空气的声阻抗间隙，并设计出了水-气梯度声阻抗匹配层，从而实现了从水到空气的宽频声能量透射。相关研究成果发表在了应用物理学期刊 Applied Physics Letter上，并受到了Scilight周刊的专访报道。

水下空心构型声学超材料（图片来源：参考文献1）

那这个匹配层到底能实现什么样的效果呢？研究人员在文中提供了一个示例，示例中所设计的水-气梯度声阻抗匹配层实验测试结果能在880 Hz到1760 Hz的范围内，实现平均16.7分贝，最高25.5分贝的透射声能量增强。25.5分贝是什么水平呢？这就相当于安装上这个匹配层以后，相比没有匹配层时，透射的声能量被增强了350倍，可以说是成功“破壁”了！

水-气“破壁”，作用比你想象的还要大

图中的圆形部分代表超材料，通过它可以实现水-气透声（图片来源：中国科学院声学研究所）

为啥要研制这种能实现水-气透声的材料？

如果能够实现水-气透声，不仅能使得潜入水中的花样游泳运动员能听见空气中播放的音乐，还能在海洋探测等更广阔的应用场景中发挥作用。

现有的海洋探测主要依赖于声纳在海洋中进行扫描探测，并将收集到的信息传回母船，探测手段和传递路径繁复，信息探测周期较长。若能实现水-气透声，我们便能直接使用机载声音传感器系统对水下世界进行探测，能极大地缩短探测周期，精简探测和信息传递流程，提升海洋探测的效率。

除了能带来海洋探测方式的革新外，实现水和空气间的有效声传输对于缓解海洋噪声污染也有着重要的作用。

一项夏威夷大学和澳大利亚科廷大学的联合研究表明，在海洋采矿中仅一个矿井发出的噪声就可以传播大约500公里，其足以对该范围内海洋生物的感觉器官产生重创。海洋油气勘探中所使用的勘探气枪出的声音更是在200分贝以上，这些噪声在水-气交界面和海床间不断反射，在海洋中绵延传播数千公里，单次气枪导致浮游动物的死亡率高达40%-60%。

未来若能将水-气透声器件有效地集成到采矿和航行的船只上，我们便能在水-气界面为这些海洋噪声打开一个出口，将这些在海洋中难以衰减的噪声传输到空气中进行扩散衰减，从而还海洋生物一个宁静的家园。

参考文献：

[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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