荷叶|在水面为声音传播开扇“窗”( 二 )
“这样在水面就形成了一个以空气层为弹簧、以荷叶自身质量为振子的弹簧振子系统 ， 此弹簧振子的共振频率处 ， 水气间的声波透射可以得到数百倍的增强 。”黄占东说 ， “需要注意的是 ， 只有荷叶倒扣在水面上才会有这样的效果 ， 正常生长的荷叶没有这样的效应 。”
【荷叶|在水面为声音传播开扇“窗”】研究人员分析了荷叶结构的振动模态 ， 发现其为荷叶自身振动模态和弹簧振子系统振动模态的叠加 。但在荷叶本征频率附近 ， 并不具有声波透射增强效果 ， 因而其透射曲线上会有很多断点 。
通过推导和分析 ， 研究人员解释了这一现象 ， 并通过模拟证明 ， 用增大荷叶模量的方法消除了这些断点 。这证明了荷叶等超疏水结构漂浮在水面上时 ， 形成的微米级的气层可用于水气声波透射 ， 能够克服目前水气界面声波传输的难题 。
锁定超疏水铝片
“荷叶具有季节依赖性、结构脆弱性、物理参数难以调控等弱点 。”中科院化学研究所博士生赵志鹏告诉《中国科学报》 ， “而且 ， 其自身本征振动会对增强效果产生不良影响 ， 因此寻找替代性人工材料具有重要的实用价值 。”
通过多种超疏水材料比对 ， 研究人员将荷叶替代材料锁定在超疏水铝片上 。首先 ， 铝的弹性模量（材料受力状态下应力与应变之比）比荷叶大5个数量级以上 ， 可以忽略自身振动模态对透射效果的影响 。其次 ， 铝片的可加工性很强 ， 可以灵活地改变自身质量和表面疏水微结构 ， 从而灵活调控工作频率 。
研究人员分别用激光刻蚀、湿法刻蚀和喷涂法制备了不同的超疏水结构 ， 展示了其在不同频率下的增透效果 。实验表明 ， 当他们制备的超疏水结构正面朝下时 ， 可捕获气层形成超表面 ， 其超疏水效应可“将原来被反射掉声波的透射率提高400倍以上” 。
“制作这种超疏水铝片工艺简单 ， 成本也很低 ， 我们印刷版材有类似的工艺 。”宋延林说 ， “而且 ， 此超表面允许声波从水中以不同角度向空气中入射（宽角度透射） ， 这在应用上 ， 能真正实现水下和地面信息的方便互联 。”
研究者认为 ， 这种超表面在水声学、通信工程、海洋生物学等研究领域具有重要应用前景 。未来该超表面可以用于机载声音传感器系统对水下物体进行检测和成像 ， 有望实现在空气中对水下物体如鱼群等成像和监控 ， 以及水下机器人的远程操作等 。此外 ， 该超表面还可在空中搜索海底的黑匣子、监测黑匣子发出的信号等 。
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