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声学透射超表面示意图 。受访者供图
■采访人员 张双虎
“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 。
【在水面为声音传播开扇“窗”】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 。 ”