来源：21dB声学人
水–空气界面的高声阻抗差使得跨介质信号传输非常困难。大部分声能在界面处反射，导致水下系统与空中系统之间的无线通信效率低。
为了解决这一问题，法国图尔大学和芬兰赫尔辛基大学的研究团队提出了一种新的方法，用声辐射压在水面上形成可控形变，使液面可以用作显示界面。这项研究发表于 Scientific Reports，题为“Acoustic Water Display”。
图1 利用声辐射压的水显示系统示意图。声源向水 - 空气界面发射声场，诱导产生的声辐射压会使水面根据界面处波前的二维形状发生隆起。生成的图案可通过光学设备探测，从而实现跨界面的数据传输。
研究的基本原理是声辐射压效应。超声波在水中传播并到达水–空气界面时，会在界面上产生平均压力，从而使水面局部上升或下凹。该压力与入射声压的平方成正比，因此通过调节声场的强度分布和入射角度，可以控制水面形变的形状。理论上，声辐射压分布可表示为：
其中，ρ为水的密度，c为声速，
为局部声压，
为入射角。界面高度变化与声压平方呈正比。
实验部分首先研究了单个超声换能器以不同入射角发射时的界面形变。使用 1.75 MHz 平面换能器，入射角为 60° 时，水面产生椭圆形的隆起，主轴方向与入射平面一致。与垂直入射时的轴对称形变不同，倾斜入射打破了对称性，使形变更细长。
图2 声辐射压（ARP）诱导的倾斜入射下水面形变。
图3 水-空气界面的累积塑性。
研究人员随后将两个换能器的声场部分重叠，测得的水面形变接近两者单独作用时的线性叠加，叠加后最大形变高度约0.32mm，未观察到界面不稳定或明显干涉条纹。有限元模拟结果与实验测量吻合，说明在所使用的声压范围内，界面响应可视为线性。
图4 七段式声显示系统的实验装置。
在此基础上，研究者使用七个换能器构建了一个七段式显示装置。每个换能器独立控制一个水面区域的形变，排列方式类似于电子数码管。通过选择不同的声源组合，可以在水面上显示数字“0”至“9”。当所有的换能器同时工作时，测得的形变呈“8”字形。实验中测得的形变高度约为 0.3 mm，空间分辨率由换能器的有效孔径和入射角决定。
显示过程可在百微秒量级内完成切换。水面形变通过共焦位移传感器测量，并用摄像机从上方拍摄得到光学图像，数字形状清晰可辨。
数值模拟采用 COMSOL Multiphysics 的双相流模型，利用测得的声压分布计算液面受力与形变。模拟结果与实验测量高度一致，进一步验证了理论模型的可靠性。
该研究证明，声辐射压能够在水–空气界面上产生可控、稳定的形变，并且多个换能器的声场可以叠加形成复杂图形。实验展示了在液面上实现可视化数字显示的可行性。研究团队认为，这种基于声辐射压的水面调控方法可以用于跨介质的信息显示，也可为流体界面控制等相关研究提供参考。
论文信息：Sisombat F, Devaux T, Callé S, et al. Acoustic Water Display[J]. Scientific Reports, 2025, 15: 34337. https://doi.org/10.1038/s41598-025-16755-2.
