【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】 南京大學(xué)物理學(xué)院聲學(xué)研究所、近代聲學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、人工微結(jié)構(gòu)科學(xué)與技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心劉京京、梁彬、程建春等人在跨域系統(tǒng)中的聲場(chǎng)多維調(diào)控方面取得重要進(jìn)展，利用人工材料突破水空界面聲傳輸屏障和聲波操控維度限制，首次實(shí)現(xiàn)了跨水空介質(zhì)的高保真聲全息和單載波聲通信。相關(guān)研究成果分別以“High-fidelity cross-media acoustic holography through a passive meta-projector with synergistic amplitude–phase control”和“High-dimensional multiplexed metamaterial for cross-media all-sound communication”為題先后發(fā)表于材料學(xué)領(lǐng)域著名期刊Materials Horizons上。
 

　　與光可以在真空中傳播不同，聲音必須依賴空氣、水或固體等介質(zhì)才能傳播。然而，當(dāng)聲音從一種介質(zhì)進(jìn)入另一種介質(zhì)時(shí)，卻常常會(huì)遇到一道難以跨越的“無(wú)形屏障”。這是因?yàn)闅怏w、液體和固體具有截然不同的聲學(xué)特性，當(dāng)聲波到達(dá)兩種介質(zhì)的交界面時(shí)，大量聲能會(huì)被反射回來(lái)，只有很少一部分能夠繼續(xù)向前傳播。以水、空氣介質(zhì)為例，兩者聲阻抗相差約三個(gè)數(shù)量級(jí)(3600倍)，理論上僅有約0.1%的聲能量能夠自由透過(guò)水—空氣界面。一個(gè)直觀的例子來(lái)自花樣游泳。運(yùn)動(dòng)員在水下很難直接聽(tīng)清泳池上方揚(yáng)聲器播放的音樂(lè)，因此實(shí)際訓(xùn)練和比賽通常需要在水下同步設(shè)置專門(mén)的揚(yáng)聲設(shè)備，讓音樂(lè)能夠直接傳入水中。類似的問(wèn)題不僅存在于日常生活，也廣泛出現(xiàn)在超聲診療和無(wú)損檢測(cè)等關(guān)鍵領(lǐng)域。
 

　　現(xiàn)有基于天然材料或聲人工材料的阻抗匹配技術(shù)雖然能夠一定程度上增強(qiáng)不同介質(zhì)間的聲能透射效率，卻無(wú)法對(duì)跨介質(zhì)聲波的幅度、相位、頻率等多個(gè)自由度進(jìn)行協(xié)同、獨(dú)立地調(diào)控。這一局限使跨域聲場(chǎng)調(diào)控面臨“傳得過(guò)去但傳不快且調(diào)不精”問(wèn)題，也限制了聲波跨介質(zhì)作用的距離、能量利用效率以及信息傳輸容量和速率。如何突破不同介質(zhì)間的聲學(xué)邊界，并在跨介質(zhì)傳播過(guò)程中實(shí)現(xiàn)對(duì)聲場(chǎng)多維信息的精確操控，已成為現(xiàn)代聲學(xué)亟待解決的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題。
 

　　針對(duì)上述難題，課題組首先提出了一種基于聲超材料的跨介質(zhì)聲波幅度—相位協(xié)同調(diào)控新機(jī)制(圖1)。通過(guò)在亞波長(zhǎng)尺度內(nèi)巧妙融合阻抗匹配與阻抗失配兩類結(jié)構(gòu)單元，打破了傳統(tǒng)抗反射結(jié)構(gòu)中聲波幅度與相位相互“綁定”的固有限制，使跨越水—空氣界面的聲波幅度和相位可以分別按需調(diào)控，為跨介質(zhì)聲場(chǎng)操控提供了新的自由度(圖2)。在此基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)研制出一種無(wú)源跨域聲全息“投影儀”，將聲學(xué)全息從傳統(tǒng)單一介質(zhì)系統(tǒng)拓展到復(fù)雜的水—空氣跨介質(zhì)場(chǎng)景。借助這一新原理器件，水中的簡(jiǎn)單入射聲波在穿越水—空氣界面后，可以被“重塑”為預(yù)先設(shè)計(jì)的復(fù)雜空氣聲場(chǎng)，如同給聲音裝上了一臺(tái)能夠跨越不同介質(zhì)工作的“投影儀”。數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)均驗(yàn)證了這一功能，重構(gòu)聲場(chǎng)與目標(biāo)圖案的相似度超過(guò)90%，表明復(fù)雜聲學(xué)信息能夠跨越水—空氣界面實(shí)現(xiàn)高保真?zhèn)鬟f(圖3)。這一機(jī)制的價(jià)值還不止于“讓聲音跨界成像”。研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步展示了其在跨介質(zhì)非接觸粒子操控中的應(yīng)用潛力：利用空氣中產(chǎn)生的聲波，經(jīng)人工界面調(diào)控后在水下形成特定聲場(chǎng)，從而驅(qū)動(dòng)微小顆粒按照預(yù)設(shè)圖案進(jìn)行遠(yuǎn)程、非接觸式排列與組裝。
 

　　進(jìn)一步，課題組提出并研制了一種具備跨介質(zhì)全維度聲場(chǎng)調(diào)控能力的新型多維復(fù)用超材料，能夠同時(shí)操控聲波的頻率、相位、幅度和角動(dòng)量等多個(gè)信息維度，突破了跨域系統(tǒng)中聲波可操控維度的限制，為多維聲信息跨域復(fù)用與處理提供了新的物理平臺(tái)。以跨水空域通信為例，研究團(tuán)隊(duì)利用該超材料構(gòu)建了一種結(jié)構(gòu)緊湊的無(wú)源復(fù)用中繼器。與傳統(tǒng)中繼設(shè)備僅負(fù)責(zé)信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)不同，這一器件將“中繼”與“解碼”功能集成于同一系統(tǒng)：一方面，可將攜帶不同角動(dòng)量和頻率信息的多路復(fù)用聲信號(hào)高效地從水中傳遞至空氣中；另一方面，還能夠在水—空氣界面直接對(duì)這些復(fù)用信息進(jìn)行物理分離和解碼，將原本需要復(fù)雜接收陣列及后端信號(hào)處理完成的部分功能前移至材料本身，從而顯著簡(jiǎn)化接收端系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)中，研究團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了以聲音為單一載波的復(fù)雜圖像信息在水—空氣兩種介質(zhì)之間的實(shí)時(shí)、高速、高保真?zhèn)鬏敚⑦M(jìn)一步驗(yàn)證了該系統(tǒng)在背景噪聲和界面波動(dòng)等實(shí)際條件下的穩(wěn)定性與魯棒性。不同于現(xiàn)有跨域通信通常依賴有源中繼設(shè)備和載波轉(zhuǎn)換的技術(shù)路線，該方法利用無(wú)源人工結(jié)構(gòu)和聲波為單一載波直接完成跨介質(zhì)信息傳輸，為構(gòu)建更加輕量化、集成化的跨域通信系統(tǒng)提供了新的實(shí)現(xiàn)路徑，也展示了多維復(fù)用超材料在水—空一體化通信等場(chǎng)景中的應(yīng)用潛力。
 

　　其中，高保真跨介質(zhì)聲全息工作以南京大學(xué)物理學(xué)院為第一單位，在讀博士生宋怡璠和已畢業(yè)的譚楊博士為共同第一作者，劉京京助理教授、梁彬教授和程建春教授為論文的共同通訊作者；單載波跨域聲通信工作以南京大學(xué)物理學(xué)院為第一單位，已畢業(yè)的武凱博士為第一作者，劉京京助理教授、梁彬教授、程建春教授和馬德里高等材料研究所的Johan Christensen教授為論文的共同通訊作者，該工作還得到國(guó)際科技媒體Tech Xplore的專文報(bào)道。相關(guān)工作得到教育部基礎(chǔ)學(xué)科和交叉學(xué)科突破計(jì)劃、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、江蘇省自然科學(xué)基金、江蘇省物理科學(xué)研究中心、南京大學(xué)“789科技攻關(guān)計(jì)劃”項(xiàng)目和中國(guó)科協(xié)青年人才托舉工程等項(xiàng)目資助。
 

　　引用：成果｜梁彬和程建春課題組實(shí)現(xiàn)跨水空介質(zhì)的高保真聲全息和單載波聲通信-南京大學(xué)【引用時(shí)間：2026年10月13日】