（通讯员：周红涛）由于水与空气间极端的声阻抗失配，声波在水-空气界面处的能量传输效率仅约0.1%，从而限制了许多如海空声学通信等跨水空的工程应用。虽然传统的四分之一波阻抗转换器可以改善跨介质的传输效率，但在声学中所严格要求的材料参数在自然界中很难找到，此外还将受到完美传输下固定相移的限制。因此，如何实现高效的跨水空波动调控是目前工程领域中一个亟待解决的难题。

近日，天津大学波动力学与控制实验室，提出了一种基于拓扑优化方法的阻抗匹配复合超表面来解决此问题，实现了跨水-空气界面的声传输增强和任意相位调制的解耦操控，在实验上观测到约25.9 dB（近20倍）的传输幅值增强，进一步复合具有声轴向聚焦功能的超表面，在预设焦点处测试到约42 dB（近125倍）的幅值增强。此外还可通过复合具有不同相位分布序列的超表面，实现多种涡旋等复杂声场的定制化调控。其跨水空高效声传输的力学机理是充分利用声振耦合效应诱发特殊的固体振动模式以动态满足阻抗匹配条件，具有一定的宽带特性和良好的广角声传输增强特性。所提出的跨水空阻抗匹配复合超表面逆向设计方法将为海空声学通讯的实现提供新的思路。相关成果以“Hybrid Metasurfaces for Perfect Transmission and Customized Manipulation of Sound Across Water–Air Interface”为题发表在国际期刊《Advanced Science》上。

研究团队首先基于等效介质理论，推导了复合超表面的声传递矩阵，给出了复合超表面在实现跨水空完美传输下任意相移的理论条件。并基于拓扑优化方法，系统地建立了一种复合超表面逆向解耦设计的优化方法，通过对单相固体介质的结构优化设计实现了在跨水空完美声传输下的任意相移。随后通过跨水空声学实验，验证了复合超表面的声传输增强特性和定制化声场调控特性，并结合振动模态测试，进一步揭示了声传输增强的力学机理。

所提出的跨水空复合超表面的逆向设计策略可允许按需定制化结构设计，如不同的工作频率、更薄的厚度等。同时，通过复合超表面的分离实施可带来更大的灵活性和扩展性，如与可编程的数字编码超表面集成，从而期望实现高速的海空声学通信等一些潜在的工程应用。此外，所提出的跨介质波动调控策略和优化模型也适用于其他跨介质场景，如空气/固体、水/固体或不同的固体，从而为新型跨介质波动器件的设计提供新的思路。

图1：提出的复合超表面用于跨水空声波的完美传输和定制化调控

图2：基于拓扑优化方法设计的复合超表面单元结构

图3：跨水空声传输增强下声场的定制化调控

视频1：宽频声脉冲入射下的跨水空声传输增强性能的动态演示

视频2：定频入射下跨水空声增强聚焦性能的动态演示

天津大学博士生周红涛为论文第一作者，天津大学汪越胜教授和王艳锋教授为通讯作者，合作者包括天津大学研究生张少聪、朱童和博士生田雨泽。感谢天津大学付文筱、唐晓垒、刘宇、蒋沐和北京交通大学的刘新超等同学的热心帮助。该研究工作得到了国家自然科学基金创新群体、优青项目和天津市研究生科技创新项目等的支持。

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202207181