在包括声纳系统、语音通信、医学影像以及声学监控在内的各种声学技术中，实现对微弱声信号的有效传输都具有十分重要的意义。根据经典声学理论，空间中声辐射的声压幅度会随着传播距离的增加而不断衰减，导致远场接收位置处微弱的声压难以满足探测传声器的灵敏度要求[图1a]。虽然可以提高发射声源的强度来增强接收位置处的声压，但会在背景环境中产生较大的噪声干扰[图1b]。上述传统的辐射型声传输机制在实际应用中存在根本局限：全向辐射导致声传输效率非常低，并且周围环境不可避免地受到放大声信号的干扰，导致环境噪声污染和信息泄漏。因此，能够克服经典声传输机制局限性的新颖传输方式和系统仍有待开发。
Mie共振单元作为一种新型声学共振结构，能够在亚波长尺寸下灵活而有效地对低频声波进行调控，得到了研究工作者们的广泛关注。在之前的工作中【Nature Materials 14, 1013 (2015)】，课题组提出了利用空间折叠的方法来使结构体获得相较于空气更低的等效声速，从而在空气中激发声学Mie共振。在本工作中，课题组首先在理论上提出了声学高折射率介质二聚体模型，可以在单极子共振频率下实现声信号有效放大的同时，能够保持周围环境空间的相对安静。随后又以折叠空间Mie共振单元为基础构建了实际系统，通过理论、仿真和实验对提出的远程低语型声传输系统进行了有效性验证[图2]。图3a与图3b的对比结果直观地体现出远程低语型声传输系统相较于传统辐射型声传输系统的优势：一方面可以使微弱声源在远场目标位置处获得期望强度的声信号，另一方面在保持接收区域与发射区域附近存在两个非常高的声压峰值的同时，整个空间中其它区域的声压大小则要低得多，大大降低了声传播过程对环境的噪声干扰以及信息泄露的风险。在嘈杂环境中，微弱声信号会淹没在背景噪声中而无法有效传输，图4展现了远程低语型声传输系统在强噪声干扰的空间中提升接收信号信噪比、捕获目标微弱声信号的优良性能。
该工作提出的新型声传输系统在不使用超声载波或相控阵系统的情况下，能够在复杂的声学场景中实现微弱声信号的实时定点传输，具有广泛的应用前景。相关研究成果以《Remote whispering metamaterial for non-radiative transceiving of ultra-weak sound》为题于2021年6月16日在线发表于国际重要期刊Nature Communications [https://doi.org/10.1038/s41467-021-23991-3]。南京大学物理学院博士研究生张进为论文第一作者，程营教授、刘晓峻教授及西班牙马德里卡洛斯三世大学Johan Christensen教授为论文的共同通讯作者。该项工作得到国家重大科学研究计划（2017YFA0303702）、国家自然科学基金和中央高校基本科研业务费的支持。
图1：传统辐射型声传输系统和远程低语型声传输系统的比较。a 弱声源情况下的辐射型声传输系统; b 强声源情况下的辐射型声传输系统; c 弱声源情况下的远程低语型声传输系统。
图2：基于折叠空间Mie共振结构的低语型声传输系统。a 系统示意图；b自由空间传播场景下的接收声压幅度；c仅在发射区域放置Mie共振体场景下的接收声压放大倍数PS/P0；d仅在接收区域放置Mie共振体场景下的接收声压放大倍数PD/P0；e同时在发射区域与接收区域放置Mie共振体场景下的接收声压放大倍数PSD/P0。
图3 系统的非辐射特性分析。a声源强度为Q1的强声源情况下，自由空间中的声压场分布图像；b声源强度Q2=Q1/157的弱声源情况下，远程低语型声传输系统作用下的声压场分布图像；c三种不同情况下声压值在y=0处随x坐标的变化曲线；d为了在不同距离下获得60 dB的探测信号，自由空间中所需声源强度Q1与新型声传播系统中所需声源强度Q2的比值
图4：a环境中存在强噪声源干扰时的远程低语型声传输系统示意图；b自由空间中和远程低语型声传输系统在受到强噪声源干扰情况下接收到的声信号时域波形；c自由空间中和远程低语型声传输系统接收到声信号的FFT频谱。
