L'adattamento di impedenza è un concetto che può massimizzare la trasmissione di energia da una fonte attraverso un media, ed è stabilito attraverso elettrico, ingegneria acustica e ottica. È spesso necessario abbinare un'impedenza di carico alla sorgente o all'impedenza interna di una sorgente di azionamento. Il design esistente per facilitare l'adattamento dell'impedenza acustica è fondamentalmente limitato dalla trasmissione a banda stretta (trasferimento di dati con una velocità di trasferimento lenta o ridotta). In un nuovo rapporto ora pubblicato su Progressi scientifici , Erqian Dong e un team di ricerca in Cina e negli Stati Uniti hanno descritto una classe precedentemente sconosciuta di trasformatori di impedenza metagel bioispirati per aggirare i limiti esistenti, sviluppando un trasformatore incorporato in una matrice di metamateriali di cilindri di acciaio all'interno di idrogel. Il team ha quindi analizzato teoricamente la trasmissione a banda larga dopo aver introdotto l'impedenza acustica bioispirata (il prodotto della densità dei mezzi porosi attraverso i quali viaggia un'onda sonora e la velocità dell'onda sonora) e ha condotto esperimenti con il dispositivo per mostrare l'implementazione efficiente del metagel durante le immersioni subacquee. esperimenti di rilevamento ad ultrasuoni. Il costrutto sperimentale ha mantenuto un morbido, composizione sintonizzabile e aprirà un modo nuovo e inaspettato per progettare dispositivi di adattamento di impedenza a banda larga di prossima generazione per diverse applicazioni di ingegneria delle onde.

Metamateriali e materiali acustici

L'adattamento di impedenza può massimizzare la trasmissione di energia tra due mezzi disadattati. Negli anni '20, I laboratori Bell hanno scoperto l'importanza dell'adattamento di impedenza per facilitare la comunicazione telefonica transcontinentale e da allora i ricercatori hanno progettato più strati e metamateriali acustici per ottenere una trasmissione sintonizzabile ea banda larga. Però, è ancora difficile superare la trasmissione a banda stretta. Nei canali cablati, banda stretta indica un canale sufficientemente stretto in cui la risposta in frequenza è considerata piatta con una velocità di trasferimento dati lenta. In questo lavoro, Dong et al. ha riportato una strategia per superare i limiti della banda stretta con un trasformatore di impedenza metagel bioispirato (noto come BMIT), bioispirato dai sistemi sonar dei delfini utilizzati per l'ecolocalizzazione in ambienti sottomarini. Per ottenere la distribuzione di impedenza prevista, Dong et al. idrogel incorporato in una matrice di cilindri di acciaio per progettare e costruire un metamateriale. I metamateriali sono un potente strumento per programmare e progettare le proprietà fisiche delle microstrutture e fornire una varietà di nuovi effetti tra cui la diffrazione negativa per l'occultamento invisibile e altre trasmissioni straordinarie. Gli idrogel sono anche potenziali candidati per tali applicazioni a causa della loro morbidezza, natura umida e biocompatibile. Tale materiale può essere utilizzato per stabilire una trasmissione acustica a banda larga tra due supporti non corrispondenti. Il nuovo costrutto ha quindi integrato le caratteristiche sia di un metamateriale che di un idrogel.

Dong et al. hanno ricostruito la distribuzione dell'impedenza acustica del gradiente situata nella testa di un delfino megattero dell'Indo-Pacifico utilizzando la tomografia computerizzata seguita da esperimenti sui tessuti per ottenere la distribuzione dell'impedenza acustica del gradiente all'interno della testa del delfino. Gli scienziati hanno trasmesso uno spettro a banda larga attraverso il canale e hanno calcolato la funzione di impedenza acustica del BMIT rispetto alle proprietà biosonar del delfino. La struttura centrale del costrutto manteneva una bassa impedenza acustica e fungeva da canale acustico per guidare il flusso di energia. Il team ha imitato la fronte deformabile del delfino utilizzando strutture di metagel e ha regolato il profilo di impedenza del materiale comprimendo l'idrogel per ottenere un'impedenza acustica efficace. Dong et al. ha mostrato che il BMIT ha ottenuto l'adattamento dell'impedenza a banda larga confrontando i campi acustici simulati di BMIT e il trasformatore di impedenza a quarto d'onda (QIT), tipicamente utilizzato per massimizzare la trasmissione di energia. Il metagel 2-D sviluppato per imitare l'impedenza bioispirata aveva il vantaggio della corrispondenza a banda larga.

Rivelando il meccanismo di adattamento di impedenza di BMIT.

Il team ha condotto ulteriori indagini per comprendere i meccanismi di adattamento dell'impedenza del BMIT. Ad esempio, i delfini possono manipolare le trasmissioni acustiche del loro biosensore attraverso distribuzioni di impedenza acustica nella loro fronte, dove un sistema di adattamento dell'impedenza morbida può trasmettere segnali a banda larga nell'acqua. I tessuti connettivi della fronte del delfino assomigliano a una complessa struttura simile a un corno nella regione della fronte posteriore, che contiene la più alta impedenza acustica. Di conseguenza, i delfini possono regolare i muscoli della fronte attraverso la compressione dei muscoli facciali per ottenere la deformazione dei tessuti e manipolare la direttività acustica. Secondo l'acustica della trasformazione (uno strumento che mostra le precise proprietà del materiale necessarie per manipolare specificamente le onde sonore), la funzione di impedenza potrebbe essere trasformata attraverso l'impedenza caratteristica acustica basata sulla deformazione geometrica. In questo caso, il metagel rappresentava una versione in spazio compresso della struttura del corno del delfino e offriva un accoppiamento acustico-solido per il dispositivo subacqueo.

Verifica teorica

Gli scienziati hanno verificato le applicazioni di corrispondenza dell'impedenza a banda larga di BMIT sviluppando sperimentalmente una serie esagonale 2-D di cilindri di acciaio incorporati nell'idrogel di agarosio. L'impedenza acustica dell'idrogel di agarosio era relativamente simile al tessuto del delfino. Per regolare l'impedenza acustica del BMIT risultante, il team ha cambiato il rapporto di riempimento dei cilindri metallici o ha compresso l'idrogel costituente. Hanno quindi eseguito esperimenti di trasmissione di ultrasuoni sott'acqua in un serbatoio d'acqua e hanno confrontato i segnali acustici trasmessi di QIT (trasformatore di impedenza a quarto d'onda) e BMIT (trasformatore di impedenza metagel bioispirato), dove i risultati sperimentali concordavano con le simulazioni numeriche. Il team ha quindi eseguito il rilevamento degli ultrasuoni sott'acqua utilizzando BMIT e QIT per accoppiare un trasduttore dell'ecoscandaglio con l'acqua (un dispositivo per inviare onde sonore e ricevere echi). Hanno notato che BMIT trasmetteva segnali di maggiore intensità e raggiungeva distanze di rilevamento più lunghe. Il materiale BMIT ha mostrato prestazioni migliori rispetto al QIT con un'intensità di incidente acustico simile; perciò, Dong et al. sostenuto per il suo utilizzo nelle funzioni di adattamento dell'impedenza a banda larga per applicazioni di rilevamento subacquee.

In questo modo, Erqian Dong e colleghi hanno mostrato come il trasformatore di impedenza metagel bioispirato (BMIT) ha superato il limite della banda stretta rompendo la dipendenza lunghezza-lunghezza d'onda. Il team ha sviluppato questo dispositivo bioispirato imitando il biosonar dei delfini. Mentre il biosonar del delfino è un complesso trasformatore di impedenza 3-D, il metagel 2-D bioispirato ha consentito l'adattamento dell'impedenza a banda larga per migliorare la trasmissione di energia. Il dispositivo combinato idrogel e metamateriale bioispirato ha offerto caratteristiche interessanti per un'efficace sintonizzazione. L'impedenza acustica del metagel può essere regolata assegnando diversi livelli di compressione pur mantenendo costante la trasmissione acustica a banda larga. In questo modo, BMIT ha fornito una nuova struttura per progettare un trasformatore di impedenza a banda larga per sonar o radar ad alta risoluzione. Questo lavoro avrà un impatto significativo su diverse aree tra cui l'acustica, elettronica, meccanica e nell'elettromagnetismo.

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