我校物理学院声学研究所、近代声学教育部重点实验室、人工微结构科学与技术协同创新中心梁彬和程建春课题组在跨水空介质的声波操控方面取得重要进展，提出并构建了具有高效水-空声耦合功能的人工界面材料，首次实现了在空中对水下声信息的高灵敏度远程检测。

水-空气界面覆盖地球70 %以上的表面积，是自然界最常见的声学边界条件之一。如何在空气中有效检测水下声信号始终是声学领域的一个难题，其实现有望为万物互联、油气勘探和远程传感等重要应用带来技术变革。然而，水和空气间高达3600 倍的声阻抗差使得仅有0.1 %的声能量可以穿透这一界面，这等价于10 kHz 的声波在水下传播30 km的传输损耗。因此，水-空气界面成为阻碍声波传输的天然屏障。虽然四分之一波长共振匹配等传统方法能够一定程度上改善跨介质声传输效率，但仍存在材料尺寸大、耦合效率低和鲁棒性差等问题。更为重要的是，现有方法均缺乏对透射至另一介质的声波形态进行任意调节的能力，限制了声波调控的灵活性和多样性。

课题组提出并设计了一种具有高效声耦合功能的人工界面材料，为水-空气界面上的阻抗失配和相位操控难题提供了一石二鸟的解决方案，可在实现水空间声透明（即声波能够近乎无损耗地穿过水气界面）的同时，对透射声场的空间形态进行任意重构。基于此，课题组首次实现了在空气中对水下低频声信号的高灵敏度远程检测（图1）。虽然声源和传感器位于两种不同的介质中，但是在人工界面材料的作用下，空气中的传感器可以等效为一个水下声源附近的虚拟传感器，对发射信号进行高质量检测。这种新型材料由三层声学结构组合而成，即两侧的共振匹配层和内部的相位调制层。共振匹配层有效地抑制了近场倏逝波模式的不利影响，使声能近乎完全透射（与水气界面相比声能增透约864倍），而内部的相位调制层则可准确地引入随结构参数线性变化的传播相位延迟。课题组利用高精度3D打印加工制备了具备结构紧凑、机械强度高、鲁棒性强和检测距离长等重要优势的人工界面材料，并实验演示了对8kHz的水下低频声波的空中检测。实验结果显示探测灵敏度提高了38dB以上，超越了现有方法的性能极限，且探测点附近的声场分布呈现预期的能量汇聚效果（图2）。为展现这一跨水空声操控机制的灵活性和多样性，还进一步演示了跨水空角动量多路复用和水下声窗等新奇的拓展应用（图3）。

图1. (a) 用空气声传感器检测水下声信号的示意图；(b) 基于声学人工界面材料的跨水空声检测原理示意图。

图2. (a) 跨水空声检测实验系统和人工界面材料的实拍图；(b, c) 探测点附近区域声场分布的实验和仿真结果；(d) 焦平面内一维轴线上的声压分布的实验和仿真结果；(e) 有无人工界面材料时的远场声压级对比。

图3. (a,b) 跨介质角动量多路复用；(c,d) 水下声窗。

这一新型声学界面材料为复杂介质中的声波操控提供了全新范式，为跨介质声学功能器件的设计提供了新的思路，并有望在声学通信、万物互联和水下隐身等重要领域产生实际应用价值。

最新研究成果以"Remote Water-to-Air Eavesdropping with a Phase-Engineered Impedance Matching Metasurface"为题发表于《Advanced Materials》上[ DOI: 10.1002/adma.202301799]，并被英国专业科学杂志《New Scientist》专文报道（图4）。37000cm威尼斯物理学院刘京京副研究员为第一作者，梁彬教授、程建春教授和美国纽约城市大学的Andrea Alù教授为论文的共同通讯作者。

图4. 英国New Scientist杂志专文报道。

该工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、37000cm威尼斯登峰人才计划、江苏高校优势学科建设工程项目等项目支持。

全文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202301799