Impedantieaanpassing is een concept dat de energietransmissie van een bron via een medium kan maximaliseren, en is gevestigd in elektrische, akoestische en optische techniek. Het is vaak nodig om een ​​belastingsimpedantie af te stemmen op de bron of interne impedantie van een aandrijfbron. Het bestaande ontwerp om akoestische impedantie-aanpassing mogelijk te maken, wordt fundamenteel beperkt door smalbandtransmissie (gegevensoverdracht met een langzame of kleine overdrachtssnelheid). In een nieuw rapport dat nu is gepubliceerd op wetenschappelijke vooruitgang , Erqian Dong en een onderzoeksteam in China en de VS hebben een voorheen onbekende klasse van bio-geïnspireerde metagel-impedantietransformatoren beschreven om de bestaande limieten te omzeilen, door een transformator te ontwikkelen die is ingebed in een metamateriaalmatrix van stalen cilinders in hydrogel. Het team analyseerde vervolgens theoretisch breedbandtransmissie na introductie van biogeïnspireerde akoestische impedantie (het product van de dichtheid van poreuze media waardoor een geluidsgolf reist en de snelheid van de geluidsgolf) en voerde experimenten uit met het apparaat om een ​​efficiënte implementatie van de metagel tijdens onderwater ultrasone detectie-experimenten. Het experimentele construct handhaafde een zachte, afstembare compositie en zal een nieuwe en onverwachte manier banen om de volgende generatie breedbandimpedantie-aanpassingsapparatuur te ontwerpen voor diverse golftechnische toepassingen.

Metamaterialen en akoestische materialen

Impedantie-aanpassing kan de energietransmissie tussen twee niet-overeenkomende media maximaliseren. In de jaren 1920, Bell-laboratoria ontdekten het belang van impedantie-aanpassing om transcontinentale telefooncommunicatie te vergemakkelijken en onderzoekers hebben sindsdien meerdere lagen en akoestische metamaterialen ontworpen om afstembare en breedbandtransmissie te bereiken. Echter, het is nog steeds een uitdaging om de smalbandtransmissie te overwinnen. In bedrade kanalen, smalband geeft een voldoende smal kanaal aan waar de frequentierespons als vlak wordt beschouwd met een lage gegevensoverdrachtsnelheid. In dit werk, Dong et al. rapporteerde een strategie om smalbandlimieten te overwinnen met een bio-geïnspireerde metagel-impedantietransformator (bekend als BMIT) - bio-geïnspireerd door de sonarsystemen van dolfijnen die worden gebruikt voor echolocatie in onderwateromgevingen. Om de verwachte impedantieverdeling te bereiken, Dong et al. ingebed hydrogel in een matrix van stalen cilinders om een ​​metamateriaal te ontwerpen en te bouwen. Metamaterialen zijn een krachtig hulpmiddel om de fysieke eigenschappen van microstructuren te programmeren en te ontwerpen en bieden een verscheidenheid aan nieuwe effecten, waaronder negatieve diffractie voor onzichtbare verhulling en andere buitengewone transmissies. Hydrogels zijn ook potentiële kandidaten voor dergelijke toepassingen vanwege hun zachte, natte en biocompatibele aard. Dergelijk materiaal kan worden gebruikt om breedband akoestische transmissie tussen twee niet-overeenkomende media tot stand te brengen. Het nieuwe construct integreerde daarom de kenmerken van zowel een metamateriaal als hydrogel.

Dong et al. reconstrueerde de gradiënt akoestische impedantieverdeling in de kop van een Indo-Pacifische bultrugdolfijn met behulp van computertomografiescanning gevolgd door weefselexperimenten om de gradiënt akoestische impedantieverdeling in het hoofd van de dolfijn te verkrijgen. De wetenschappers stuurden een breedbandspectrum door het kanaal en berekenden de akoestische impedantiefunctie van BMIT ten opzichte van de biosonaire eigenschappen van de dolfijn. De kernstructuur van het construct handhaafde een lage akoestische impedantie en fungeerde als een akoestisch kanaal om de energiestroom te geleiden. Het team bootste het vervormbare voorhoofd van de dolfijn na met behulp van metagelstructuren en stemde het impedantieprofiel van het materiaal af door de hydrogel samen te drukken om een ​​effectieve akoestische impedantie te bereiken. Dong et al. toonde aan dat de BMIT breedbandimpedantie-aanpassing bereikte door de gesimuleerde akoestische velden van BMIT en de kwartgolfimpedantietransformator (QIT) te vergelijken - meestal gebruikt om de energietransmissie te maximaliseren. De 2D-metagel die is ontwikkeld om biogeïnspireerde impedantie na te bootsen, had het voordeel van breedbandmatching.

Onthulling van het impedantie-aanpassingsmechanisme van BMIT.

Het team voerde verder onderzoek uit om de impedantie-aanpassingsmechanismen van BMIT te begrijpen. Bijvoorbeeld, dolfijnen kunnen de akoestische transmissies van hun biosensor manipuleren via akoestische impedantieverdelingen in hun voorhoofd, waar een systeem voor het afstemmen van zachte impedantie breedbandsignalen in het water kan verzenden. Bindweefsels van het voorhoofd van de dolfijn lijken op een complexe hoornachtige structuur in het achterste voorhoofdgebied, die de hoogste akoestische impedantie bevat. Als resultaat, dolfijnen kunnen hun voorhoofdspieren aanpassen door middel van gezichtsspiercompressie om weefselvervorming te bereiken en akoestische gerichtheid te manipuleren. Volgens transformatie-akoestiek (een hulpmiddel dat de precieze materiaaleigenschappen laat zien die nodig zijn om specifiek geluidsgolven te manipuleren), de impedantiefunctie kan worden getransformeerd door middel van akoestische karakteristieke impedantie op basis van geometrische vervorming. Op dit moment, de metagel vertegenwoordigde een gecomprimeerde ruimteversie van de hoornstructuur van de dolfijn en bood een akoestisch solide koppeling voor het onderwaterapparaat.

Bewijs van concept

De wetenschappers verifieerden breedbandimpedantie-aanpassingstoepassingen van BMIT door experimenteel een 2-D zeshoekige reeks stalen cilinders te ontwikkelen die zijn ingebed in agarose-hydrogel. De akoestische impedantie van de agarose-hydrogel was relatief vergelijkbaar met het weefsel van de dolfijn. Om de akoestische impedantie van de resulterende BMIT af te stemmen, het team veranderde de vulverhouding van metalen cilinders of comprimeerde de samenstellende hydrogel. Vervolgens voerden ze onder water ultrasone transmissie-experimenten uit in een watertank en vergeleken de uitgezonden akoestische signalen van QIT (kwartgolf-impedantietransformator) en BMIT (bio-geïnspireerde metagel-impedantietransformator), waar de experimentele resultaten overeenkwamen met numerieke simulaties. Het team voerde vervolgens ultrasone detectie onder water uit door BMIT en QIT te gebruiken om een ​​echoloodtransducer te koppelen aan water (een apparaat om geluidsgolven uit te zenden en echo's te ontvangen). Ze merkten op dat BMIT signalen met een hogere intensiteit uitzond en langere detectieafstanden bereikte. Het BMIT-materiaal vertoonde betere prestaties in vergelijking met QIT onder vergelijkbare akoestische incidentintensiteit; daarom, Dong et al. gepleit voor het gebruik ervan in breedbandimpedantie-afstemmingsfuncties voor onderwaterdetectietoepassingen.

Op deze manier, Erqian Dong en collega's lieten zien hoe de bio-geïnspireerde metagel-impedantietransformator (BMIT) de smalbandlimiet overwon door de lengte-golflengte-afhankelijkheid te doorbreken. Het team ontwikkelde dit bio-geïnspireerde apparaat door de biosonar van dolfijnen na te bootsen. Terwijl de biosonar van de dolfijn een complexe 3D-impedantietransformator is, de bio-geïnspireerde 2D-metagel maakte breedbandimpedantie-aanpassing mogelijk om de energietransmissie te verbeteren. Het gecombineerde bio-geïnspireerde hydrogel- en metamateriaalapparaat bood aantrekkelijke functies voor effectieve afstemming. De akoestische impedantie van de metagel kan worden aangepast door verschillende compressieniveaus toe te wijzen terwijl een constante breedband akoestische transmissie behouden blijft. Op deze manier, BMIT bood een nieuw raamwerk voor het ontwerpen van een breedbandimpedantietransformator voor sonar of radar met hoge resolutie. Dit werk zal een aanzienlijke impact hebben op diverse gebieden, waaronder akoestiek, elektronica, mechanica en in het elektromagnetisme.

© 2020 Wetenschap X Netwerk