Een nieuwe strategie voor het verzenden van akoestische golven door water zou mogelijk de wereld van hogesnelheidscommunicatieactiviteiten onder water kunnen openen, inclusief duiken, oceaanbewaking op afstand, en diepzeeonderzoek.

Door gebruik te maken van de dynamische rotatie die wordt gegenereerd als akoestische golven reizen, het orbitale hoekmoment, onderzoekers van het Lawrence Berkeley National Laboratory van het Department of Energy (Berkeley Lab) waren in staat om meer kanalen op een enkele frequentie te bundelen, het effectief vergroten van de hoeveelheid informatie die kan worden verzonden.

Ze toonden dit aan door in binaire vorm de letters te coderen waaruit het woord "Berkeley, " en het verzenden van de informatie langs een akoestisch signaal dat normaal minder gegevens zou bevatten. Ze beschrijven hun bevindingen in een studie die deze week in de Proceedings van de National Academy of Sciences .

"Het is vergelijkbaar met het gaan van een zijweg met één rijstrook naar een snelweg met meerdere rijstroken, " zei studie corresponderende auteur Xiang Zhang, senior faculteitswetenschapper bij de Materials Sciences Division van Berkeley Lab en een professor aan UC Berkeley. "Dit werk heeft een enorm potentieel in akoestische communicatie met hoge snelheid."

Terwijl de menselijke activiteit onder het zeeoppervlak toeneemt, het vermogen om onder water te communiceren heeft geen gelijke tred gehouden, grotendeels beperkt door de natuurkunde. Microgolven worden snel opgenomen in water, dus uitzendingen kunnen niet ver komen. Optische communicatie is niet beter, omdat het licht wordt verstrooid door microdeeltjes onder water bij reizen over lange afstanden.

Laagfrequente akoestiek is de optie die overblijft voor langeafstandscommunicatie onder water. Toepassingen voor sonar in overvloed, inclusief navigatie, zeebodem in kaart brengen, vissen, offshore olie-onderzoek, en vaartuigdetectie.

Echter, de afweging met akoestische communicatie, vooral bij afstanden van 200 meter of meer, is dat de beschikbare bandbreedte beperkt is tot een frequentiebereik binnen 20 kilohertz. Een lage frequentie beperkt de snelheid van gegevensoverdracht tot tientallen kilobits per seconde, een snelheid die teruggaat tot de dagen van inbelverbindingen en modems van 56 kilobit per seconde, aldus de onderzoekers.

"De manier waarop we onder water communiceren is nog vrij primitief, "zei Zhang. "Er is een enorme honger naar een betere oplossing hiervoor."

De onderzoekers namen het idee van multiplexen over, of het combineren van verschillende kanalen via een gedeeld signaal, of multiplexen, is een techniek die veel wordt gebruikt in telecommunicatie- en computernetwerken. Maar multiplexing orbitaal impulsmoment is een benadering die tot deze studie niet was toegepast op akoestiek, aldus de onderzoekers.

Terwijl geluid zich voortplant, het akoestische golffront vormt een spiraalvormig patroon, of wervelstraal. Het orbitale impulsmoment van deze golf zorgt voor een ruimtelijke vrijheidsgraad en onafhankelijke kanalen waarop de onderzoekers gegevens konden coderen.

"De rotatie vindt plaats met verschillende snelheden voor kanalen met verschillende orbitale impulsmomenten, zelfs als de frequentie van de golf zelf hetzelfde blijft, deze kanalen onafhankelijk van elkaar maken, " zei co-hoofdauteur Chengzhi Shi van de studie, een afgestudeerde student in het lab van Zhang. "Daarom konden we verschillende stukjes data coderen in dezelfde akoestische straal of puls. Vervolgens gebruikten we algoritmen om de informatie van de verschillende kanalen te decoderen, omdat ze onafhankelijk van elkaar zijn."

De experimentele opstelling, gevestigd in Berkeley Lab, bestond uit een digitaal regelcircuit met een array van 64 transducers, samen genereren van spiraalvormige golffronten om verschillende kanalen te vormen. De signalen werden gelijktijdig uitgezonden via onafhankelijke kanalen van het baanimpulsmoment. Ze gebruikten een frequentie van 16 kilohertz, binnen het bereik dat momenteel in sonar wordt gebruikt. Een ontvangerarray met 32 ​​sensoren heeft de akoestische golven gemeten, en algoritmen werden gebruikt om de verschillende patronen te decoderen.

"We hebben de amplitude en fase van elke transducer gemoduleerd om verschillende patronen te vormen en verschillende kanalen op het baanimpulsmoment te genereren, " zei Shi. "Voor ons experiment hebben we acht kanalen gebruikt, dus in plaats van slechts 1 bit data te verzenden, we kunnen 8 bits tegelijk verzenden. In theorie, echter, het aantal kanalen dat wordt geboden door het baanimpulsmoment kan veel groter zijn."

De onderzoekers merkten op dat hoewel het experiment in de lucht werd gedaan, de fysica van de akoestische golven is vergelijkbaar voor water en lucht in dit frequentiebereik.

Uitbreiding van de capaciteit van onderwatercommunicatie zou nieuwe mogelijkheden voor verkenning kunnen openen, aldus de onderzoekers. Deze extra capaciteit zou uiteindelijk het verschil kunnen maken tussen het verzenden van een tekstbericht en het verzenden van een high-definition speelfilm van onder het oceaanoppervlak. Externe sondes in de oceanen kunnen gegevens verzenden zonder dat ze naar de oppervlakte hoeven te komen.

"We weten veel meer over de ruimte en ons universum dan over onze oceanen, " zei Shi. "De reden dat we zo weinig weten is omdat we niet de sondes hebben om de diepe zee gemakkelijk te bestuderen. Dit werk zou ons onderzoek en onze verkenning van de oceanen drastisch kunnen versnellen."