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一、研究团队及发表信息

本研究由Félix Sisombat1, Thibaut Devaux1, Samuel Callé1, Jere Hyvönen2, Axi Holmström2, Ari Salmi2 & Lionel Haumesser1合作完成。第一作者单位是法国图尔大学的GREMAN UMR 7347实验室（隶属CNRS和INSA Centre Val de Loire），第二作者单位是芬兰赫尔辛基大学的Electronics Research Laboratory。研究发表于期刊Scientific Reports，发表日期为2025年，文章编号15:34337，DOI为10.1038/s41598-025-16755-2。

二、学术背景与研究目标

科学领域与背景

研究聚焦于跨介质（水-气界面）的光学信息传输技术，属于声学、流体力学与无线通信的交叉领域。由于水与空气的声阻抗（acoustic impedance）差异极大，传统无线通信系统在界面处信号能量反射严重，导致传输效率低下。此前研究多通过超表面（metasurface）改善近场声透射，但无法实现实时可重构的界面调控。

研究动机与目标

团队提出了一种基于声辐射压力（acoustic radiation pressure, ARP）的动态界面调控技术，旨在通过声波实时塑造水-气界面的形貌，形成光学可识别的图案（如数字显示），从而跨越介质边界传递信息。核心目标包括：
1. 验证斜入射声波诱导非对称界面变形的可行性；
2. 设计多声源协同调控的七段式水面显示器；
3. 实现“0-9”数字的实时显示与光学检测。

三、研究流程与方法

1. 单声源斜入射实验

• 研究对象：直径25 mm的压电换能器（PZT4），中心频率1.75 MHz，倾斜角度60°。
  
• 实验设计：通过水听器测量斜入射声场的二维压力分布（图2b），结合共聚焦传感器记录界面变形高度（图2d）。
  
• 关键方法：推导了斜入射声场的压力分布公式（式1-4），证明变形高度与入射声压平方成正比，且斜入射可打破法向入射的径向对称性，形成长轴10 mm、短轴5 mm的椭球形突起。
  

2. 双声源叠加实验

• 研究对象：两个对称倾斜（±60°）的换能器，间距100 mm。
  
• 实验与模拟：通过有限元软件（COMSOL Multiphysics）模拟叠加声场的界面变形，并与实验结果对比（图3b）。结果显示，变形高度近似为单声源变形的线性叠加，验证了多声源协同调控的可行性。
  

3. 七段式显示器构建

• 硬件配置：7个换能器环形排布，通过多通道放大器独立控制各声源振幅与相位（图4b）。
  
• 实时调控：通过编程控制各声源的开关组合，生成“0-9”数字对应的界面变形（图5）。光学检测采用共聚焦激光扫描与数码相机（Nikon D5600）两种方式，后者通过水面凸透镜效应聚焦底部网格纸的光斑实现快速成像。
  

4. 数据分析

• 变形稳定性：单次变形建立时间<100微秒，受声场与表面张力平衡调控；
  
• 分辨率限制：单段最小宽度受换能器尺寸限制（约5 mm）。
  

四、主要研究结果

1. 斜入射声场的非对称变形（图2）：实验测得60°斜入射声场诱导的界面变形斜率左右不对称（左侧16%，右侧8%），突破了法向入射的轴对称限制，为分段显示提供了基础单元。
   
2. 多声源叠加的线性特性（图3）：双声源实验与模拟结果高度吻合（误差%），证明多声源叠加无干涉效应，支持复杂图案的实时编程。
   
3. 七段式数字显示（图5）：通过7个声源的组合，成功实现“0-9”数字的稳定显示，共聚焦测量显示变形高度达0.3 mm，相机成像清晰可辨。
   

五、研究结论与价值

科学价值

1. 提出了基于ARP的非接触式流体界面实时调控新方法，为跨介质通信提供了无需超表面的解决方案；
   
2. 揭示了多声源叠加的线性变形规律，为复杂界面形貌设计奠定理论基础。
   

应用价值

1. 水下-空中通信：可扩展为水下设备向空中传递光学信号的界面编码器；
   
2. 动态显示技术：潜在应用于沉浸式交互界面或微流体操控。
   

六、研究亮点

1. 方法创新：首次将斜入射声场与非对称变形结合，实现高自由度界面编程；
   
2. 技术整合：开发了多通道声源控制系统与实时光学检测方案；
   
3. 跨学科意义：融合声学、流体力学与信息编码，开辟跨介质通信新路径。
   

七、其他有价值内容

• 数据公开性：原始数据可通过通讯作者申请获取；
  
• 扩展潜力：作者指出，未来可通过相控阵换能器或动态全息进一步提升图案复杂度。
  

（全文约2000字）