En ny strategi för att skicka akustiska vågor genom vatten kan eventuellt öppna världen för höghastighetskommunikationsaktiviteter under vattnet, inklusive dykning, fjärrövervakning av havet, och utforskning av djuphavet.

Genom att dra fördel av den dynamiska rotation som genereras när akustiska vågor reser, det orbitala vinkelmomentet, forskare vid Department of Energy Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) kunde packa fler kanaler på en enda frekvens, effektivt öka mängden information som kan överföras.

De demonstrerade detta genom att i binär form koda bokstäverna som utgör ordet "Berkeley, "och överför informationen längs en akustisk signal som normalt skulle bära mindre data. De beskriver sina resultat i en studie som publicerades i veckan i Förfaranden från National Academy of Sciences .

"Det är jämförbart med att gå från enfilig sidväg till en flerspårig motorväg, "sade studiens motsvarande författare Xiang Zhang, senior fakultetsvetare vid Berkeley Labs materialvetenskapsavdelning och professor vid UC Berkeley. "Detta arbete har en enorm potential inom höghastighetsakustisk kommunikation."

Medan mänsklig aktivitet under havets yta ökar, förmågan att kommunicera under vattnet har inte hållit jämna steg, begränsas till stor del av fysiken. Mikrovågor absorberas snabbt i vatten, så överföringar kan inte komma långt. Optisk kommunikation är inte bättre eftersom ljus sprids av mikropartiklar under vattnet när du reser över långa avstånd.

Lågfrekvent akustik är det alternativ som finns kvar för långdistans undervattenskommunikation. Det finns många ansökningar om ekolod, inklusive navigering, kartläggning av havsbotten, fiske, oljemätning till havs, och fartygsdetektering.

Dock, avvägningen med akustisk kommunikation, särskilt med avstånd på 200 meter eller mer, är att den tillgängliga bandbredden är begränsad till ett frekvensområde inom 20 kilohertz. Frekvens som låg begränsar hastigheten för dataöverföring till tiotals kilobit per sekund, en hastighet som går tillbaka till tiden för uppringda internetanslutningar och 56 kilobit per sekund-modem, sa forskarna.

"Sättet vi kommunicerar under vattnet är fortfarande ganska primitivt, "sade Zhang." Det finns en enorm aptit för en bättre lösning på detta. "

Forskarna antog idén om multiplexing, eller kombinera olika kanaler tillsammans över en delad signal, eller multiplexering, är en teknik som ofta används inom telekommunikation och datanät. Men multiplexering av orbital vinkelmoment är ett tillvägagångssätt som inte hade tillämpats på akustik förrän denna studie, sa forskarna.

När ljud sprider sig, den akustiska vågfronten bildar ett spiralformat mönster, eller virvelstråle. Den orbitala vinkelmomentet för denna våg ger en rumslig grad av frihet och oberoende kanaler på vilka forskarna kan koda data.

"Rotationen sker vid olika hastigheter för kanaler med olika orbital vinkelmoment, även om frekvensen av själva vågen förblir densamma, gör dessa kanaler oberoende av varandra, "säger författaren Chengzhi Shi, en doktorand i Zhangs lab. "Det är därför vi kan koda olika bitar av data i samma akustiska stråle eller puls. Vi använde sedan algoritmer för att avkoda informationen från de olika kanalerna eftersom de är oberoende av varandra."

Den experimentella inställningen, ligger på Berkeley Lab, bestod av en digital styrkrets med en uppsättning av 64 givare, tillsammans genererar spiralformade vågfronter för att bilda olika kanaler. Signalerna sändes ut samtidigt via oberoende kanaler för den orbitala vinkelmomentet. De använde en frekvens på 16 kilohertz, som ligger inom det intervall som för närvarande används i ekolod. En mottagare med 32 sensorer mätte de akustiska vågorna, och algoritmer användes för att avkoda de olika mönstren.

"Vi modulerade amplituden och fasen för varje givare för att bilda olika mönster och för att generera olika kanaler på den orbitala vinkelmomentet, "sa Shi." För vårt experiment använde vi åtta kanaler, så istället för att skicka bara 1 bit data, vi kan skicka 8 bitar samtidigt. I teorin, dock, antalet kanaler som tillhandahålls av orbital vinkelmoment kan vara mycket större. "

Forskarna noterade att medan experimentet gjordes i luft, de akustiska vågornas fysik är mycket lik vatten och luft vid detta frekvensområde.

Utökad kapacitet för undervattenskommunikation kan öppna nya vägar för prospektering, sa forskarna. Denna extra kapacitet kan så småningom göra skillnaden mellan att skicka ett textmeddelande och att sända en högupplöst långfilm under havets yta. Fjärrprober i haven kan skicka data utan att behöva dyka upp.

"Vi vet mycket mer om rymden och vårt universum än vi vet om våra hav, "sa Shi." Anledningen till att vi vet så lite är att vi inte har sonderna för att enkelt studera djuphavet. Detta arbete kan dramatiskt påskynda vår forskning och utforskning av haven. "