Impedansmatchning är ett koncept som kan maximera energiöverföring från en källa genom ett media, och är etablerad över elektriska, akustisk och optisk teknik. Det är ofta nödvändigt att matcha en lastimpedans med källan eller den interna impedansen för en drivkälla. Den befintliga konstruktionen för att underlätta matchning av akustisk impedans är i grunden begränsad av smalbandssändning (dataöverföring med långsam eller liten överföringshastighet). I en ny rapport som nu publicerats den Vetenskapliga framsteg , Erqian Dong och ett forskargrupp i Kina och USA detaljerade en tidigare okänd klass av bioinspirerade metagelimpedanstransformatorer för att kringgå de befintliga gränserna, genom att utveckla en transformator inbäddad i en metamaterialmatris av stålcylindrar i hydrogel. Teamet analyserade sedan teoretiskt bredbandsöverföring efter att ha introducerat bioinspirerad akustisk impedans (produkten av densiteten hos porösa medier genom vilken en ljudvåg färdas och ljudvågens hastighet) och genomförde experiment med enheten för att visa effektiv implementering av metageln under undervattnet ultraljudsdetekteringsexperiment. Den experimentella konstruktionen upprätthöll en mjuk, justerbar komposition och kommer att bana ett nytt och oväntat sätt att designa nästa generations bredbandsimpedansmatchningsenheter för olika vågtekniska applikationer.

Metamaterial och akustiska material

Impedansmatchning kan maximera energitransmissionen mellan två felaktiga medier. På 1920 -talet, Belllaboratorier upptäckte vikten av impedansmatchning för att underlätta transkontinental telefonkommunikation och forskare har sedan dess utformat flera lager och akustiska metamaterial för att uppnå avstämbar och bredbandsöverföring. Dock, det är fortfarande utmanande att övervinna smalbandssändningen. I trådbundna kanaler, smalband indikerar en tillräckligt smal kanal där frekvenssvaret anses vara platt med en långsam dataöverföringshastighet. I det här arbetet, Dong et al. rapporterade en strategi för att övervinna smalbandgränser med en bioinspirerad metagelimpedanstransformator (känd som BMIT) - bioinspirerad av ekolodssystemen för delfiner som används för ekolokalisering i undervattensmiljöer. För att uppnå den förväntade impedansfördelningen, Dong et al. inbäddad hydrogel i en matris av stålcylindrar för att designa och bygga ett metamaterial. Metamaterial är ett kraftfullt verktyg för att programmera och utforma de fysikaliska egenskaperna hos mikrostrukturer och tillhandahålla en mängd nya effekter, inklusive negativ diffraktion för osynlig cloaking och andra extraordinära överföringar. Hydrogels är också potentiella kandidater för sådana applikationer på grund av deras mjuka, våt och biokompatibel natur. Sådant material kan användas för att etablera bredbandsakustisk överföring mellan två felaktiga medier. Den nya konstruktionen integrerade därför egenskaperna hos både ett metamaterial och hydrogel.

Dong et al. rekonstruerade gradientens akustiska impedansfördelning i huvudet på en Indo-Pacific puckelryggdelfin med hjälp av datortomografisk skanning följt av vävnadsexperiment för att erhålla gradientens akustiska impedansfördelning i delfinens huvud. Forskarna överförde ett bredbandsspektrum genom kanalen och beräknade den akustiska impedansfunktionen för BMIT i förhållande till delfinens biosonära egenskaper. Konstruktionens kärnstruktur upprätthöll låg akustisk impedans och fungerade som en akustisk kanal för att styra energiflödet. Teamet efterliknade den deformerbara pannan på delfinen med hjälp av metagelstrukturer och stämde materialets impedansprofil genom att komprimera hydrogeln för att uppnå effektiv akustisk impedans. Dong et al. visade att BMIT uppnådde bredbandsimpedansmatchning genom att jämföra de simulerade akustiska fälten för BMIT och kvartsvågsimpedanstransformatorn (QIT)-som vanligtvis används för att maximera energitransmission. 2-D-metageln som utvecklats för att efterlikna bioinspirerad impedans hade fördelen av bredbandsmatchning.

Avslöjar impedansmatchningsmekanismen för BMIT.

Teamet genomförde ytterligare undersökningar för att förstå impedansmatchningsmekanismer för BMIT. Till exempel, delfiner kan manipulera de akustiska överföringarna av sin biosensor genom akustiska impedansfördelningar i pannorna, där ett system med mjuk impedansmatchning kan överföra bredbandssignaler till vatten. Bindvävnader i delfinens panna liknar en komplex hornliknande struktur i den bakre pannregionen, som innehåller den högsta akustiska impedansen. Som ett resultat, delfiner kan justera sina pannmuskler genom ansiktsmuskelkompression för att uppnå vävnadsdeformation och manipulera akustisk riktning. Enligt transformationsakustik (ett verktyg som visar de exakta materialegenskaperna som behövs för att specifikt manipulera ljudvågor), impedansfunktionen kan transformeras genom akustisk karakteristisk impedans baserad på geometrisk deformation. I det här fallet, metageln representerade en komprimerad version av delfinens hornstruktur och erbjöd akustiskt-fast koppling för undervattensanordningen.

Bevis på koncept

Forskarna verifierade bredbandsimpedansmatchningstillämpningar för BMIT genom att experimentellt utveckla en tvådelad hexagonal uppsättning stålcylindrar inbäddade i agaroshydrogel. Den akustiska impedansen för agaroshydrogeln var relativt lik delfinens vävnad. För att ställa in den akustiska impedansen för den resulterande BMIT, laget ändrade fyllningsförhållandet för metallcylindrar eller komprimerade den ingående hydrogelen. De utförde sedan undervattensundersökningsöverföringsexperiment i en vattentank och jämförde de överförda akustiska signalerna från QIT (kvartsvågsimpedanstransformator) och BMIT (bioinspirerad metagelimpedanstransformator), där de experimentella resultaten överensstämde med numeriska simuleringar. Teamet utförde sedan ultraljudsdetektering under vattnet med hjälp av BMIT och QIT för att koppla en ekolodgivare med vatten (en enhet för att skicka ut ljudvågor och ta emot ekon). De noterade att BMIT överförde signaler med högre intensitet och uppnådde längre detektionsavstånd. BMIT -materialet visade bättre prestanda jämfört med QIT under liknande akustisk incidentintensitet; därför, Dong et al. förespråkade dess användning i bredbandsimpedansmatchningsfunktioner för undervattensavkänningsprogram.

På det här sättet, Erqian Dong och kollegor visade hur den bioinspirerade metagelimpedanstransformatorn (BMIT) övervann gränsen för smalband genom att bryta längden-våglängdsberoendet. Teamet utvecklade denna bioinspirerade enhet genom att efterlikna biosonar av delfiner. Medan delfinens biosonar är en komplex 3D-impedanstransformator, den bioinspirerade 2-D-metageln tillät bredbandsimpedansmatchning för att förbättra energitransmissionen. Den kombinerade bioinspirerade hydrogel- och metamaterialenheten erbjuder attraktiva funktioner för effektiv avstämning. Metagelns akustiska impedans kan justeras genom att tilldela olika komprimeringsnivåer samtidigt som konstant akustisk bredbandsöverföring bibehålls. På det här sättet, BMIT gav ett nytt ramverk för att designa en bredbandsimpedanstransformator för högupplösta ekolod eller radar. Detta arbete kommer att ha stor inverkan på olika områden, inklusive akustik, elektronik, mekanik och inom elektromagnetism.

© 2020 Science X Network