Review of Underwater Acoustic Communication Based on Metamaterials
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摘要: 近年来, 声学超材料作为一种新型人工复合材料, 凭借其强大的声学参数调控能力突破传统材料功能极限, 在水下探测、目标识别、成像、导航和通信等领域展现出了广阔的应用前景。文章综述了利用超材料实现水声通信的研究进展, 主要包括基于声轨道角动量的多路复用通信、基于声学超表面的波束操控实现的特定发射和接收端间的水声通信, 以及水-空跨介质声通信, 总结了其所涉及的关键技术, 并对当前基于超材料的水声通信所面临的挑战和前景进行了展望。Abstract: In recent years, acoustic metamaterials, as a sort of novel artificial composite materials, have demonstrated the ability to surpass the limitations of traditional materials through their exceptional acoustic parameter manipulation capabilities. Thus, acoustic metamaterials have shown promising applications in numerous areas such as underwater detection, underwater target identification, acoustic imaging, navigation, and underwater communication. The advancements in metamaterial-based underwater acoustic communication were reviewed, focusing primarily on multiplex communication based on acoustic orbital angular momentum, underwater acoustic communication between specific transmitter and receiver based on beam steering of acoustic metasurface, and water-air trans-medium acoustic communication. The key technologies were summarized, and the current challenges and future prospects of metamaterial-based underwater acoustic communication were outlined.
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0. 引言
与基于电磁波的通信方式相比, 声波在水中的传播具有波长更长和衰减较弱的特点, 成为水下远程信息传输的主要方式, 在海洋地质勘探、海洋生物成像和海洋网络构建等领域发挥着重要作用[1-8]。21世纪以来, 人们对海洋的探索和开发活动日益增加, 对水声通信的传输效率提出了更高的要求。在过往的研究中, 为提升水声通信传输效率, 声波的频率、幅值和相位等物理量相继被用于多路复用技术及载波调制技术(见图1), 如常见的频分多路复用技术、时分多路复用技术以及差分相移键控技术以及正交振幅调制技术等。但这些方式仍受限于信号传输带宽, 难以满足日益增长的水下信息传输需求。因此, 拓宽水下声信号的传输带宽、构建可靠而稳定的传输路径, 寻求除时间、频率和幅值以外的复用自由度, 对于提升水声通信效率具有重要意义。
声学超材料是由特定构型的单元在空间中周期排列得到的一类人工复合材料的总称, 其物理性质可通过单元基材、几何构型和空间排布等多个自由度进行调节, 往往可以突破材料本身的限制, 实现天然材料所不具备的奇异性质。在过去几十年中, 声学超材料研究范畴逐渐从空气中扩展到水环境中, 并在水下隐身、成像、降噪和通信等方面表现出巨大的应用潜力[9]。文中回顾了近年来基于超材料的水下声学通信发展现状, 并详细介绍了其涉及的关键技术, 最后针对仍然存在的挑战和未来发展趋势进行展望。
1. 研究进展
1.1 基于超材料的声学轨道角动量复用通信
声波作为一种标量波, 被用作水下信息传输载体时, 常采用时间和频率进行多路复用传输, 缺少矢量波所具有的偏振或自旋等自由度, 一定程度上限制了其传输效率。声学轨道角动量(orbital angular momentum, OAM)作为独立于时间和频率的新维度(见图1), 能够在现有声波多路复用技术的基础上进一步扩展信道容量, 提升水声通信的传输效率[10]。
1) 声学OAM
声学OAM是指声波围绕特定轴线旋转时所具有的角动量。携带OAM的声波在沿着特定轴线方向向前传播时, 表现出围绕轴向发生扭转的特性, 呈现为涡旋声束。OAM对涡旋声束相位的影响可写作exp(imθ), 其中, i为虚数单位, θ为方位角, 在0~
$ 2{\text{π}} $ 内变化; m为拓扑荷数, 又称为涡旋声束的阶数, 代表声波阵面在1个波长的传播距离内旋转的圈数。当m=0时, 声波不具有OAM, 表现为向前传播的平面波; 当|m|=1时, 声波以连续的涡旋波阵面向前传播, m取正代表声波顺时针扭转, m取负代表声波逆时针扭转。m越大, 声波在前进过程中绕着轴线旋转的速度越快。理论上, m可以取任意整数, 且不同阶数的涡旋声束间是相互正交的, 因此信息可以被加载在不同阶数的涡旋声束上并行传输。2) 声学OAM的生成
目前携带OAM的涡旋声束的生成主要分为有源和无源2种方式。有源方式主要借助多个声学换能器生成携带特定OAM的涡旋声束所需的初始空间相位分布, 通常依赖于大量声学换能器形成的阵列及复杂电路, 例如, Demore等[11]在实验中采用1 000个换能器以生成具有不同阶数的涡旋声场, 所需成本较高。无源方式则主要通过在换能器前放置特定结构以实现涡旋声束所需的螺旋相位分布, 所设计的结构主要分为3类: 第1类为结构本身具有螺旋分布的几何路径[12-13], 其整体厚度呈现螺旋形变化; 第2类为通过在平整的结构中嵌入共振单元以构造出所需的螺旋形相位分布, 例如, Jiang等[14]通过将圆形结构划分为8个扇形区域, 并在每个扇形区域设计不同的亥姆霍兹共振腔结构, 即可将入射的平面波转换为特定阶数的涡旋声束; 第3类为基于声波衍射作用所设计的多臂螺旋形平面声学结构, 该结构可通过螺旋形的镂空实现对声波幅值和相位的调控以产生涡旋声束, 例如, Jiang等[15]设计了多阶螺旋形镂空结构, 并通过实验证明了该类结构能在水下产生稳定的涡旋声束, 且具有宽频适用性。相比有源方式, 无源方式依赖结构设计来实现特定的螺旋相位分布以生成涡旋声场, 所需成本较低, 但其生成的涡旋声束的频率和涡旋阶数均受到结构的限制。
3) OAM多路复用声通信
多路复用技术是指将多路传输信号同时加载在同一个物理信道中进行并行传输, 可极大地扩充信息传输容量, 被广泛应用于数据传输领域。在对声学OAM的生成与操控进行充分研究的基础上, 研究者们也逐渐将声学OAM引入多路复用技术中, 以扩充水声通信的传输容量, 提高水声通信效率, 具体研究情况见表1。
研究团队 OAM生成方式 解码方式 复用自由度 频率/Hz 传输速率/(bit/s) 加州大学伯克利分校[16] 64个换能器 34个传声器扫场, 内积算法 OAM 16 000 8.0±0.4 南京大学[17] 8个环能器 单传声器测量, 共振结构 OAM, 相位, 幅值 2 287 114 南京大学[18] 10个换能器 单传声器测量, 共振结构 OAM 3 430 686 南京大学[19] 碳纳米管热声换能器 单传声器测量, 傅里叶变换 OAM 6 000 228.7 中国科学院声学研究所[20] 五模材料 单传声器测量, 五模材料 OAM, 相位, 幅值 7 100 710 华中科技大学[21] 128个换能器 128个传声器扫场, 内积算法 OAM 2 000 000 8 2017年, Shi等[16]率先开启基于声学OAM的多路复用技术研究。选取拓扑荷−4~−1以及1~4共8种涡旋声束进行并行传输, 并将Berkeley包含的6个不同的字母转化为二进制数编码在8种涡旋声束上得到编码信号。实验中采用由64个换能器组成的环形阵列发射出编码得到16 kHz的复合涡旋声束, 并利用传声器阵列在接收端进行扫场测量, 再将测得的声压场与单一模态的各阶涡旋声场进行内积, 从而解码出包含的编码信息。最后, 测量使用不同数量的传声器阵列时的误码率, 结果表明, 当传声器数量小于34时, 误码率随着传声器数量的增加而降低, 当传声器数量为34时, 传输的误码率达到极限, 继续增加传声器数量, 误码率几乎不变。实验成功验证了基于声学OAM的多路复用通信, 但其依赖于大量的换能器和传声器进行涡旋声束的发射和接收以及复杂的后处理解码过程, 在实际应用中有一定的局限性。后续研究中引入超材料作为被动解码结构, 极大地精简了解码过程, 提高了通信效率。
2018年, Jiang等[17]利用共振的声学超材料设计出能实现声学OAM加减级联运算的平面结构, 通过将不同阶数涡旋声束分离的方式进行复用解码, 从而避免复杂的后处理解码过程。该团队还将声学OAM与现有的复用自由度相结合, 拓宽了传输信道容量, 提升了解码效率。此外, Wu等[18]还利用超材料成功将入射到超表面的复合涡旋声束分离到不同方向进行接收和解码, 实现了多路径扭曲声波通信系统。Jia等[19]利用碳纳米管薄膜的热声效应制备了时空声学超表面, 并通过设定不同的转速, 使携带不同阶数OAM的复合涡旋声束转换为不同频率的涡旋声束, 从而实现声信号的快速解码。
上述团队针对基于OAM的多路复用声通信提出了不同的编解码方案, 但对方案的验证仍停留在空气环境中, 难以直接迁移到水环境中。针对这一问题, Li等[22]从理论上讨论了利用均匀圆环阵作为水下涡旋声束发射器和探测器进行声学OAM复用通信时受到的限制。选取N个换能器等间距排布而成的单层均匀圆环阵作为发射器和探测器, 通过计算特定截面上不同OAM模式之间的内积, 得到该圆环阵所能产生和探测到的最大正交OAM模式数为N, 即可用的有效自由度为N。多层圆环阵列的有效自由度以通过将其分解为不同的单层均匀圆环阵进行计算。由于正交OAM模式主要依靠方位角方向的相位变化来区分, 因此多层圆环阵的有效自由度主要取决于方位角方向的换能器数量。为确保产生和探测到的OAM模式的旋转对称性, 换能器圆环阵的排布方式同样需要保持相应的旋转对称性。Li等[22]以16个换能器组成的均匀圆环阵为例, 计算了圆环阵中单个换能器分别存在0、
$ 0.01 \times 2{\text{π}} /16 $ 、$ 0.1 \times 2{\text{π}} /16 $ 和$ 2{\text{π}} /16 $ 的角度偏移时, 圆环在近场和远场下的有效自由度数。结果表明, 无角度偏移时, 圆环阵在近场和远场下的有效自由度均为0; 随着角度偏移变大, 圆环阵在近场的有效自由度逐渐减小, 且在远场的有效自由度均会减少到3。经过理论计算和验证, 得出基于OAM的水下声学复用技术更适用于近场传输, 且低阶OAM模式在传输过程中往往具有更高的鲁棒性。为尽可能避免换能器阵列作为声源时带来的影响, Sun等[20]设计了能将入射平面声波转换为−1阶涡旋声波的水下声学超表面。将超表面所需参数按照角度进行离散, 设计出满足参数的五模材料, 最终得到的超表面不仅能实现平面波和涡旋声波之间的转换, 而且还能保持0.9以上的声透射率, 保证了探测的高信噪比。具体的传输和编解码原理见图2。
在进行信息编码时, 同时利用声波的幅值(A)、相位(
$ \varphi $ )和声学OAM(m)3个自由度进行复用编码, 每一路编码信号的声压可表示为mth(A(t),$ \varphi $ (t))。在利用五模材料超表面进行OAM复用通信的仿真实验中, 在超表面一侧发射由平面波和1阶涡旋声波构成的复合信号, 分别在超表面两侧放置2个不同的探针以探测2个不同的通道所携带的信息。在验证中, 选取字母I、O、A的图案进行编码传输, 解码结果与传输目标完全一致, 证明所设计的超表面在水声通信中的有效性。Tong等[21]利用聚偏氟乙烯构建超疏水声学超表面, 通过仿真和实验验证了该超表面在宽频广角下与水良好的阻抗失配性质, 从而得以利用该种材料在水中构建出不受外界干扰的波导环境。该团队利用聚偏氟乙烯制备出多种空心管结构, 并将空心管作为通信信道进行多通道传输。在实验中, 选取H、U、S、T这4个字母并根据ASCII码将4个字母转化为不同的二进制序列并编码到−4~−1以及1~4阶的涡旋声束中。利用128个换能器构成的声阵列发射出频率为2 MHz的编码复合涡旋声束, 并加载在不同的空心管通道中进行多路传输, 采用128个传声器构成的阵列进行扫场测试, 并结合内积算法进行解码, 从而得到准确的目标信息。该团队采用的超材料结构能够隔绝水环境中的噪声干扰, 提供稳定的信息传输通道, 从而保证水下信息的精准传输。
此外, 为避免在OAM复用技术解码过程中扫场测试带来的时耗, Li等[23]提出可以利用少量弧形排布的换能器对涡旋声场进行测量, 并结合动态模态分解方法提取出涡旋声场中包含的拓扑荷, 从而解码出所传输的信息。仿真结果表明, 这一方法即使在噪声干扰下也保持了较强的鲁棒性和较低的误码率, 为基于OAM的水声复用技术提供了一种高效的解码方案, 有利于简化接收阵列设计, 提升远距离传输的效率。
1.2 基于波束操控的水声通信
由于自然信道中多径衰落的影响, 水下发射和接收端间的信息传输往往存在效率和可靠性较低的问题。声学超材料的出现极大地提升了人们对声波的操控能力, 从而实现声波的偏转、聚焦和波束形成等多种功能, 这也为水下世界中不同终端间的信息传输提供了特定的传输路径, 保证了水声通信的可靠性和稳定性。基于波束操控的水声通信应用场景如图3所示。
1) 广义Snell定理
根据Snell定理, 当声波以角θi入射到不同介质表面时, 折射角θt和反射角θr由界面两侧介质的声速(c)决定, 遵循θr=θi, θt=arcsin(c2/c1), 如图4(a)所示。2011年, Yu等[24]提出可以通过在界面施加特定相位梯度的方式来实现对反射和折射角的操控。入射角θi、反射角θr 和折射角θt与界面所施加的相位
$ \mathit{\Phi}\left(x\right) $ 遵循如下关系$$ k_i\sin\theta_i-k_i\sin\theta_r=\frac{\mathrm{d}\mathit{\Phi}\left(x\right)}{\mathrm{d}x} $$ (1) $$ k_i\sin\theta_i-k_t\sin\theta_t=\frac{\mathrm{d}\mathit{\Phi}\left(x\right)}{\mathrm{d}x} $$ (2) 式中, ki和kt分别为入射和透射侧介质的波数。广义Snell定律带来的反射和透射操控效果如图4(b)所示。在实际设计中, 通过在界面处实现不同的相位分布, 即可实现对入射和透射角的操控, 从而构建特定的声波传播路径。
2) 基于可重构超表面的水声通信
超表面是由具有亚波长尺度的单元按照特定顺序排列而成的二维超材料[25]。通过赋予超表面单元以特定的相位分布, 即可对声波的传播方向进行灵活操控, 以实现特定发射端和接收端间的信息传输。目前的超表面设计主要分为2类: 第1类借助特定的共振结构和阻抗分布来实现所需的相位梯度, 所设计的结构往往只针对特定频率和特定入射角度的声波有效; 第2类借助压电材料外接电容等方式实现的可调控式声学超表面。
在针对第1类声学超表面的研究中, Tian等[26-27]曾利用五模材料分别设计出3种超表面。正入射的声波经过这3种超表面后可分别实现偏转、聚焦及贝塞尔束生成的效果。Cao等[28]利用钢格栅和有机玻璃板组合设计出可实现状态切换的声学超表面, 通过改变钢格栅的排列角度, 可实现全透射和零透射的状态切换。对2种传输状态进行组合传输, 即可实现信息编码, 从而实现接收端和发射端的编码通信。Fan等[29]利用优化算法设计出一种多功能水下声学超表面, 其由一维圆柱体在水中周期排列而成, 能对不同频率和入射角的声波实现异常透射、全反射和异常反射等多种功能, 从而应用于多个发射和接收端间的信息传输。胡博[30]、刘凯[31]等利用不同声速的均匀介质来实现不同的相位分布, 并设计出水下声学超表面, 实现了对不同频率和入射方向声波的异常透射。
除被动结构外, 第2类可调控式声学超表面也引起了众多研究者们的兴趣。2022年, Peng等[32]设计并验证了一种能在空气中实现多种声束操控功能的可调声学超表面, 该超表面单元由1块附着在铜片上的压电片外接电容组成。通过调节外接电容, 实现对每个单元的共振频率和相位的调节, 从而实时地调节出所需的相位梯度, 完成特定的声束操控, 先后实现了对声束的偏转、聚焦以及类声镊声束生成等3种功能, 验证了所设计的可调声学超表面的有效性。Sun[33]、Wang[34]等提出引入可重构声学超表面作为一项水下基础设施, 可实现用户间信息的远程和高速率传输。该团队提出了一种可调压电声学超表面, 超表面的每个单元两端为金属片结构, 中间为外接有可变电容和负电阻的压电材料。将单元进行电-力-声类比, 得到单元的等效电路, 并得出外接电容和电阻与单元所控制的反射相位之间的关系。通过调节每个单元的外接电路, 超表面可将入射声波沿着特定方向进行反射, 从而在指定的用户间进行信息传输。该团队通过仿真验证了3×3压电阵列实现的反射声束操控的效果, 并指出压电阵列包含的单元数越多, 所实现的传输效率越高。探讨了发射端、超表面和接收端的相对位置变化对传输影响, 提出基于卡尔曼滤波算法的反馈-追踪方案, 以确保超表面实时有效的声束操控效果。
总的来说, 利用超材料制备的超表面可实现对反射和透射声波的多功能操控, 从而实现水下发射端和接收端之间的定点通信。目前基于被动结构的声学超表面所实现的异常反射、异常透射和聚焦等多种功能都已经得到实验验证, 而基于压电结构的可调控式水下声学超表面目前处于仿真阶段, 未能得到广泛的实验验证。
1.3 基于超材料的水-空跨介质声通信
声波作为能同时在水中和空气中进行信息传输的载体, 不仅可以实现水下信息的远程传输, 还能用于实现水-空跨介质信息传输, 从而能够直接使用机载换能器进行海洋地质勘探、水生生物成像等活动, 提升海洋探测效率。
1) 水-空声阻抗匹配
当声波入射到不同介质表面时, 介质间的声阻抗差异决定了声波的反射和透射效率。介质间的声阻抗差距越大, 声波的透射效率越低。在常温下, 水的声阻抗为1 480 000 Rayls, 空气的声阻抗为415 Rayls, 水的声阻抗约为空气声阻抗的3 600倍。当声波直接入射到水和空气的交界面时, 其声能量透射率仅为千分之一, 难以满足水-空信息交流的需求。因此, 要实现声波在水-空有效声传输, 首先需要实现水-空声阻抗匹配。
传统材料的声阻抗范围往往难以实现水和空气间如此巨大的声阻抗差异, 而声学超材料则凭借其多自由度的调控和设计方式为水-空声阻抗匹配提供了可能。目前, 利用声学超材料实现水-空阻抗匹配的工作主要分为2类。第1类为利用共振结构实现水和空气间的窄带阻抗匹配, 例如: Bok等[35]利用薄膜声学超材料构建的共振单元能将700 Hz的声波在水-空间的声能量透射系数从0.001提升到了0.3; Huang等[36]通过类比质量-弹簧系统, 利用疏水材料局域气泡的形式构建出能在低频段实现可调水-空阻抗匹配的超表面; Huang等[37]利用铝片表面附着空气的方式在中频段实现了可调水-空阻抗匹配; Liu等[38]通过设计带有特定长度的空气通道树脂单元, 实现了水-空间可调声阻抗匹配; Zhou等[39]借助拓扑优化算法设计的超材料结构, 在10.5 kHz附近实现了25.9 dB声能量透射增强。这类单元结构较为紧凑, 尺寸较小, 能够实现的水-空阻抗匹配的带宽较窄。第2类主要是借助声学超材料填补水-空间阻抗间隙实现的宽带阻抗匹配, 例如, Zhou等[40]结合空气中周期排列的方柱和水中周期排列的空心正多边形结构实现了水-空阻抗间隙, 并设计出了能在880~1 760 Hz范围内实现水-空平均声能量透射增强16.7 dB以上的宽频水-空阻抗匹配层, 这类匹配层所能实现的带宽较宽, 结构厚度也有所增加。
2) 水-空跨介质声通信
在实现水-空阻抗匹配的基础上, 关于水-空跨介质声传输的研究也相继展开, 所实现的水-空跨介质声传输效果如图5所示, 具体研究进展见表2。
研究团队 结构 频率/HZ 透射声能量增强/dB 厚度/mm 验证方式 延世大学[35] 薄膜共振结构 700(可调) 24.7 4.8 声透射测试 中国科学院化学研究所[36] 疏水材料局域气泡得到的共振结构 273 (可调) 23 5.1 声透射测试, 音乐信号传输 中国科学院化学研究所[37] 疏水铝片表面附着气泡得到的共振结构 9 ×103 (可调) 25 20×10−6 声透射测试 南京大学[38] 环氧树脂中嵌入空气通道得到的共振结构 8 ×103(可调) 25 37.25 远场声聚焦测试, 涡旋声束生成 天津大学[39] 拓扑优化得到的共振结构 10.5 ×103 (可调) 25.9 11.4 声透射测试, 声聚焦, 涡旋声束生成 中科院声学所[40] 宽频声学超材料 880~1 760
(可拓展)平均16.7 336 声透射测试, 图像传输, 去除水下混响噪声 Bok等[35]指出所提出的薄膜共振单元能在音频频率范围内实现有效的水-空声传输, 从而能直接在空气中使用灵敏度更高的电容式传声器进行水下探测, 同时还能使用空气中的扬声器发射低频声波以替代大体积的水下换能器, 不仅能够提升水下探测信噪比, 还能降低水下低频换能器的高昂成本。Huang等[36]利用所提出的固体阵列超表面实现了音乐信号的水-空有效传输, 并指出有效的水-空跨介质声传输将允许空中飞行器直接接收到来自水下机器人、空难中的黑盒子及水下生物和地质信息, 为水下搜救和海洋探测等活动提供新途径。Liu等[38]提出可同时实现阻抗匹配和相位调控的声学超表面, 使得声波在水-空之间声透射提高的同时, 还能实现声波聚焦和涡旋声束分离的波前调控效果, 表现出其在基于声学OAM的水-空跨介质声通信方面的应用潜力。Zhou等[39]利用拓扑优化方法设计出能实现水-空阻抗匹配和相位调控的声学单元, 并制备出超表面实现了对声波的聚焦和涡旋声束生成。
除上述基于波前调控的水-空跨介质声通信方式外, Zhou等[40]利用其设计的宽频水-空阻抗匹配层实现了基于频分复用的水-空跨介质声通信, 同时验证了所设计的匹配层在去除水下混响噪声方面的有效性。在实验中选取声学研究所所徽图案作为传输目标, 根据图片颜色将图片转换为比特流, 基于频分复用的编码方法将目标比特流编码到匹配层的透射频带上, 并转化为时域信号进行水-空传输。接收到编码信号后, 首先将时域信号进行傅里叶变换, 并根据每个频率信号的信噪比进行解码, 若该频率信号信噪比大于20 dB, 则解码为1, 否则解码为0。最终接收到的图片误码率仅为0.05%, 实现了图片的精确传输, 具体的编解码规则如图6所示。该团队通过在水槽中发声, 分别测试有无匹配层下水槽中的声压级水平及关闭声源后恢复背景声压级所需的时间, 结果表明匹配层能迅速将水下难以衰减的低频混响噪声传输到空气中, 从而缓解水下的混响噪声污染, 维护海洋声学生态平衡。
2. 关键技术与挑战
超材料对声波强大的操控能力主要体现在对相位的灵活调控和对可实现声学参数范围的拓展。现有基于超材料的水下声学通信研究主要从以下几方面展开。
1) 相位调控
相位调控方面, 基于共振结构的超材料能以远小于波长的结构尺度实现对低频声波的波前调控, 从而能被用于生成和操控携带OAM的涡旋声束, 实现基于OAM的多路复用声通信, 以拓展现有水下声学通信的传输容量。相比有源方式, 基于超材料生成和操控携带OAM的涡旋声束的成本更低, 结构更紧凑, 更具稳定性和实用性。除共振结构外, 五模材料、背景介质中离散排列的固体阵列所组成的等效介质及复合材料等, 同样能在宽频范围内实现不同的声速, 从而实现不同的相位分布, 以满足声涡旋及异常折射等声波调控所需的相位梯度。
除被动结构, 压电材料外接电路的方式也为相位调控提供了更大的自由度, 在声波的异常折射和聚焦等操控中发挥着重要作用。相比被动结构, 压电材料外接电路可实现宽频范围内灵活的相位变化, 以满足不同波束操控功能所需的相位分布, 能够实时地实现声束的多功能操控和状态切换。所制备的可调控式声学超表面能满足不同的水声通信应用场景中的传输需求, 具有广阔的应用前景。
2) 可实现声学参数范围拓展
声学参数范围拓展方面, 通过调节超材料的基材、几何构型和空间排布等, 可实现水-空阻抗匹配, 从而提升声波在水-空声能量传输效率, 并进一步促进水-空跨介质声通信。基于共振结构实现的窄带水空阻抗匹配中, 研究者们同时引入了相位调控, 通过波前的聚焦进一步提升声波在水-空的传输信噪比, 通过涡旋声束的生成和分离实现基于声学OAM的复用通信。基于宽带阻抗匹配的水-空透声器件则主要基于频分复用的方式实现水-空跨介质声通信, 其实现的结构较为简单, 且可用的通信频带较宽, 能承载的信息容量较高。
除水-空阻抗匹配外, 实现水下和不同介质间的阻抗匹配以提高换能器的发射和接收效率也是水下通信中重点关注的问题。Li等[41]通过调节石英在环氧树脂中的填充率, 设计出了锥形声学超材料, 实现了压电换能器和环氧树脂之间的声阻抗匹配。Dong等[42]通过在水凝胶基质中填充不同尺寸的圆形钢柱实现了从压电材料到水的声阻抗范围, 并将该结构置于超声换能器前, 实现了对目标物体的水下探测。Zhang等[43]还通过在水凝胶中填充空气柱、水柱和液体金属柱的方式实现了从空气到水到固体介质间的声阻抗范围, 为水下声学器件的实现提供了结构基础。
3) 超材料设计方法
在基于超材料进行器件设计的过程中, 研究者们往往会采取解析或者优化方法以简化结构设计流程, 提高设计效率。例如, Bi等[44]为所提出的空心构型水下声学超材料建立单元等效参数解析模型。该团队利用解析公式, 可快速设计出具备目标声学参数的单元结构, 并基于该方法设计出水下声学梯度透镜, 实现柱面声波向平面波的波前转换。除解析方法外, 通过仿真计算出声波经过任意结构的反射和透射系数与相位, 从而反演出结构的等效声学参数的方法也被广泛应用于超材料结构设计中[45]。该参数反演方法能针对各类复杂结构, 计算出其等效的声学参数和相位调控效果, 具有广泛的适用性。此外, 基于正向迭代的优化算法和基于逆向设计的机器学习方法也相继被应用于超材料结构设计中, 如Fan等[29]将遗传算法、粒子群优化算法等应用于水下声学超表面的设计中, Zhou等[39]将拓扑优化算法应用于水-空阻抗匹配超表面设计。
这些设计方法的运用极大地提升了基于超材料的器件设计效率, 有利于进一步推进基于超材料的水下声学通信的应用进程。
4) 其他挑战
超材料的出现为水声通信提供了新思路, 但要将其进行实用化推广, 仍然面临着一些挑战。目前基于超材料实现的声学OAM多路复用通信技术的验证大多还停留在空气中, 尽管仍然可以基于类似的原理进行水下共振结构的设计, 但此时水和固体结构间的流固耦合作用不可再忽略, 其带来的影响需要进一步验证。现有针对水下相位操控的声学超材料设计基本都局限于窄带范围且受到衍射的限制, 如何在宽带范围内实现水下信息的远程非衍射传输仍有待进一步研究。而在基于超材料的水-空跨介质声通信研究中, 可实现的透射带宽往往与超材料的结构厚度成正比, 如何利用复合材料设计出更紧凑的结构实现水和空气之间更宽的透射带宽以满足水-空通信需求也仍然是下一步需要优化的问题。
3. 结束语
近年来, 声学超材料的出现极大地提升了对声波的操控能力, 在声学工程应用中表现出了巨大的潜力。在以声波为主要通信方式的水环境中, 实现高效的水声通信对海洋探测具有重要意义。基于这一应用背景, 文中总结了利用超材料实现水下声学通信的研究工作, 并基于现有的研究现状, 分析了其中涉及的关键技术和未来发展中所面临的挑战。
文中梳理的研究主要包括利用超材料进行相位调控实现的声学OAM多路复用通信、基于波束操控实现的特定发射和接收端间的水声通信以及利用超材料实现的水-空阻抗匹配和相应的水-空跨介质声通信。声学OAM复用通信在现有基于幅值、相位和频率的声波多路复用通信技术的基础上, 引入声学OAM这一全新的自由度拓展了通信信道容量。基于声学超表面的波束操控为水下的定点通信提供了可靠的传输路径。基于超材料的水空阻抗匹配层克服了水-空声阻抗壁垒, 实现了声波在水-空声透射增强, 为水-空跨介质声通信提供了新的思路, 并在水下搜救、海洋探测和缓解水下噪声污染等领域表现出了广阔的应用前景。
水声材料作为水声器件设计的基础, 在实现水下声波的多功能操控方面具有重要作用, 对于水声工程的发展具有重要意义。经过20余年的发展, 基于超材料所实现的水声器件已经在多个领域展现出了应用潜力, 包括水下隐身、水声吸收、水声成像和跨介质传输等。在未来发展中, 充分考虑水下的应用环境, 结合超材料的声调控优势, 设计出兼具功能、耐压和紧凑的水声调控器件对于推进水声超材料的实用化进程具有重要意义。
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表 1 OAM多路复用声通信实现情况
Table 1. Implementation of OAM multiplexed acoustic communication
研究团队 OAM生成方式 解码方式 复用自由度 频率/Hz 传输速率/(bit/s) 加州大学伯克利分校[16] 64个换能器 34个传声器扫场, 内积算法 OAM 16 000 8.0±0.4 南京大学[17] 8个环能器 单传声器测量, 共振结构 OAM, 相位, 幅值 2 287 114 南京大学[18] 10个换能器 单传声器测量, 共振结构 OAM 3 430 686 南京大学[19] 碳纳米管热声换能器 单传声器测量, 傅里叶变换 OAM 6 000 228.7 中国科学院声学研究所[20] 五模材料 单传声器测量, 五模材料 OAM, 相位, 幅值 7 100 710 华中科技大学[21] 128个换能器 128个传声器扫场, 内积算法 OAM 2 000 000 8 表 2 水-空跨介质声传输实现情况
Table 2. Implementation of water-air trans-medium acoustic communication
研究团队 结构 频率/HZ 透射声能量增强/dB 厚度/mm 验证方式 延世大学[35] 薄膜共振结构 700(可调) 24.7 4.8 声透射测试 中国科学院化学研究所[36] 疏水材料局域气泡得到的共振结构 273 (可调) 23 5.1 声透射测试, 音乐信号传输 中国科学院化学研究所[37] 疏水铝片表面附着气泡得到的共振结构 9 ×103 (可调) 25 20×10−6 声透射测试 南京大学[38] 环氧树脂中嵌入空气通道得到的共振结构 8 ×103(可调) 25 37.25 远场声聚焦测试, 涡旋声束生成 天津大学[39] 拓扑优化得到的共振结构 10.5 ×103 (可调) 25.9 11.4 声透射测试, 声聚焦, 涡旋声束生成 中科院声学所[40] 宽频声学超材料 880~1 760
(可拓展)平均16.7 336 声透射测试, 图像传输, 去除水下混响噪声 -
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