聲學透射超表面示意圖。 受訪者供圖
■記者 張雙虎
“世界上最遙遠的距離，是飛鳥與魚的距離。一個翱翔天際，一個卻深潛海底。”
這是泰戈爾膾炙人口的情詩。其實，飛鳥和魚的“遙遠”不只是“距離”，還在於它們聽不到彼此。
近日, 加拿大西安大略大學教授楊軍課題組、中科院化學研究所宋延林團隊、青島大學副教授趙勝東等合作，發現了荷葉等自然界中超疏水結構可以增強水氣間聲波透射的新效應。該效應可作為“聲窗”增強水上水下聲音通訊，在水聲學、通訊工程、海洋生物學等研究領域具有重要意義。相關研究已在Research、《ACS應用材料與介面》等期刊發表。
跨越“水氣屏障”
隨著人類對海洋資源的開發利用，水上和水下通訊變得十分重要。
在空氣中，電磁波和聲波都可作為載體來傳播資訊。但由於電磁波在水中衰減很快，水中通訊一般只能依靠聲波進行，因此，聲波成為潛在的海洋、大氣和陸地間直接資訊交流的工具。
“當聲波遇到水面時，會在水氣介面遇到‘水氣屏障’。”宋延林告訴《中國科學報》，“聲波穿過水氣介面時能量損失巨大，只有約0.1%的能量能透射過去，其中絕大部分都反射掉了。”
例如，對於一個頻率為500赫茲的聲波平面波，其每公里被海水吸收約0.025分貝, 而聲波穿越水氣介面的損失約30分貝，相當於聲波在海洋中傳播1200公里距離海水吸收所造成的損失。因此，水氣介面是聲波傳輸中難以逾越的屏障。此外，水氣間的聲波傳輸還面臨不穩定、聲學超材料工作頻率低於聲吶工作頻率、聲吶工作頻率的寬角度透射問題還未解決等諸多挑戰。
近年來，研究人員利用疏水或超疏水特性，在水中捕獲陣列化的氣泡結構，研究其聲學性質，並實現了多種聲學應用，發展出“超疏水聲學”。比如，受超疏水結構啟發建立的氣泡陣列，用於聲學反射超表面來增強水下聲波反射，以及利用疏水結構或者荷葉等在水面附近處捕獲氣泡層，建立聲學透射超表面，其可作為“聲窗”增強水下和水上的聲波通訊。
構建“聲窗”
在一個30釐米見方的透明水槽中，漂浮著工作人員精心設計的3D列印疏水結構。
實驗裝置剛啟動，“嗡嗡”的蜂鳴聲立即“刺進”耳膜。工作人員伸出雙手，將這種疏水結構緩緩抬起，隨即慢慢放下。一起一落間，那“嗡嗡”聲似乎從我們面前去了遙不可及的遠處，未及我們作出反應，它又倏而返回。
“在實驗中，我們還驗證了荷葉等超疏水結構的‘荷葉透聲效應’。”該論文第一作者、加拿大西安大略大學博士後黃佔東告訴《中國科學報》，“聲波透過這種超表面時，透過率可增強20分貝以上，這種超表面好似在水面處為聲波傳輸打開了一個‘窗戶’。”
雖然“荷葉效應”已經被發現了100多年，然而，其超疏水效應產生的聲學效應卻很少被報道。
最初的實驗中，研究人員直接把荷葉倒扣在水面上，來驗證荷葉表面的聲學透射性。由於荷葉具有超疏水性，在荷葉表面和水層之間會產生一個極薄的空氣層，鐳射共聚焦測量顯示，此空氣層的厚度大概為20微米。
“這樣在水面就形成了一個以空氣層為彈簧、以荷葉自身質量為振子的彈簧振子系統，此彈簧振子的共振頻率處，水氣間的聲波透射可以得到數百倍的增強。”黃佔東說，“需要注意的是，只有荷葉倒扣在水面上才會有這樣的效果，正常生長的荷葉沒有這樣的效應。”
研究人員分析了荷葉結構的振動模態，發現其為荷葉自身振動模態和彈簧振子系統振動模態的疊加。但在荷葉本徵頻率附近，並不具有聲波透射增強效果，因而其透射曲線上會有很多斷點。
透過推導和分析，研究人員解釋了這一現象，並透過模擬證明，用增大荷葉模量的方法消除了這些斷點。這證明了荷葉等超疏水結構漂浮在水面上時，形成的微米級的氣層可用於水氣聲波透射，能夠克服目前水氣介面聲波傳輸的難題。
鎖定超疏水鋁片
“荷葉具有季節依賴性、結構脆弱性、物理引數難以調控等弱點。”中科院化學研究所博士生趙志鵬告訴《中國科學報》，“而且，其自身本徵振動會對增強效果產生不良影響，因此尋找替代性人工材料具有重要的實用價值。”
透過多種超疏水材料比對，研究人員將荷葉替代材料鎖定在超疏水鋁片上。首先，鋁的彈性模量（材料受力狀態下應力與應變之比）比荷葉大5個數量級以上，可以忽略自身振動模態對透射效果的影響。其次，鋁片的可加工性很強，可以靈活地改變自身質量和表面疏水微結構，從而靈活調控工作頻率。
研究人員分別用鐳射刻蝕、溼法刻蝕和噴塗法制備了不同的超疏水結構，展示了其在不同頻率下的增透效果。實驗表明，當他們製備的超疏水結構正面朝下時，可捕獲氣層形成超表面，其超疏水效應可“將原來被反射掉聲波的透射率提高400倍以上”。
“製作這種超疏水鋁片工藝簡單，成本也很低，我們印刷版材有類似的工藝。”宋延林說，“而且，此超表面允許聲波從水中以不同角度向空氣中入射（寬角度透射），這在應用上，能真正實現水下和地面資訊的方便互聯。”
研究者認為，這種超表面在水聲學、通訊工程、海洋生物學等研究領域具有重要應用前景。未來該超表面可以用於機載聲音感測器系統對水下物體進行檢測和成像，有望實現在空氣中對水下物體如魚群等成像和監控，以及水下機器人的遠端操作等。此外，該超表面還可在空中搜索海底的黑匣子、監測黑匣子發出的訊號等。
來源： 《中國科學報》
