Une nouvelle stratégie d'envoi d'ondes acoustiques dans l'eau pourrait potentiellement ouvrir le monde des activités de communication à haut débit sous l'eau, y compris la plongée sous-marine, surveillance océanique à distance, et l'exploration sous-marine.

En profitant de la rotation dynamique générée par le voyage des ondes acoustiques, le moment angulaire orbital, des chercheurs du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) du ministère de l'Énergie ont pu regrouper plus de canaux sur une seule fréquence, augmenter efficacement la quantité d'informations pouvant être transmises.

Ils l'ont démontré en encodant sous forme binaire les lettres qui composent le mot « Berkeley, " et transmettant les informations le long d'un signal acoustique qui transporterait normalement moins de données. Ils décrivent leurs conclusions dans une étude publiée cette semaine dans le Actes de l'Académie nationale des sciences .

« C'est comparable au passage d'une route secondaire à une seule voie à une autoroute à plusieurs voies, " a déclaré l'auteur correspondant de l'étude Xiang Zhang, chercheur principal à la division des sciences des matériaux du Berkeley Lab et professeur à l'UC Berkeley. "Ce travail a un énorme potentiel dans les communications acoustiques à grande vitesse."

Alors que l'activité humaine sous la surface de la mer augmente, la capacité de communiquer sous l'eau n'a pas suivi le rythme, limité en grande partie par la physique. Les micro-ondes sont rapidement absorbées dans l'eau, les transmissions ne peuvent donc pas aller loin. La communication optique n'est pas meilleure car la lumière est diffusée par les microparticules sous-marines lors de déplacements sur de longues distances.

L'acoustique à basse fréquence est l'option qui reste pour la communication sous-marine à longue portée. Les applications de sonar abondent, y compris la navigation, cartographie des fonds marins, faire de la pêche, prospection pétrolière en mer, et la détection des navires.

Cependant, le compromis avec la communication acoustique, en particulier avec des distances de 200 mètres ou plus, est que la bande passante disponible est limitée à une gamme de fréquences inférieure à 20 kilohertz. Fréquence qui limite le taux de transmission des données à des dizaines de kilobits par seconde, une vitesse qui rappelle l'époque des connexions Internet commutées et des modems à 56 kilobits par seconde, les chercheurs ont dit.

"La façon dont nous communiquons sous l'eau est encore assez primitive, " a déclaré Zhang. " Il y a un énorme appétit pour une meilleure solution à cela. "

Les chercheurs ont adopté l'idée du multiplexage, ou combiner différents canaux ensemble sur un signal partagé, ou multiplexage, est une technique largement utilisée dans les télécommunications et les réseaux informatiques. Mais le multiplexage du moment angulaire orbital est une approche qui n'avait pas été appliquée à l'acoustique jusqu'à cette étude, les chercheurs ont dit.

Au fur et à mesure que le son se propage, le front d'onde acoustique forme un motif hélicoïdal, ou faisceau vortex. Le moment angulaire orbital de cette onde offre un degré de liberté spatiale et des canaux indépendants sur lesquels les chercheurs pourraient coder les données.

"La rotation se produit à des vitesses différentes pour des canaux avec un moment angulaire orbital différent, même si la fréquence de l'onde elle-même reste la même, rendre ces canaux indépendants les uns des autres, " a déclaré le co-auteur principal de l'étude, Chengzhi Shi, un étudiant diplômé du laboratoire de Zhang. "C'est pourquoi nous pouvions coder différents bits de données dans le même faisceau ou impulsion acoustique. Nous avons ensuite utilisé des algorithmes pour décoder les informations des différents canaux car ils sont indépendants les uns des autres."

Le montage expérimental, situé au Berkeley Lab, composé d'un circuit de commande numérique avec un réseau de 64 transducteurs, générant ensemble des fronts d'onde hélicoïdaux pour former différents canaux. Les signaux ont été envoyés simultanément via des canaux indépendants du moment angulaire orbital. Ils ont utilisé une fréquence de 16 kilohertz, qui se situe dans la plage actuellement utilisée dans le sonar. Un réseau de récepteurs avec 32 capteurs a mesuré les ondes acoustiques, et des algorithmes ont été utilisés pour décoder les différents modèles.

"Nous avons modulé l'amplitude et la phase de chaque transducteur pour former différents motifs et générer différents canaux sur le moment angulaire orbital, " a déclaré Shi. "Pour notre expérience, nous avons utilisé huit canaux, donc au lieu d'envoyer juste 1 bit de données, nous pouvons envoyer 8 bits simultanément. En théorie, cependant, le nombre de canaux fournis par le moment angulaire orbital peut être beaucoup plus grand."

Les chercheurs ont noté que bien que l'expérience ait été réalisée dans l'air, la physique des ondes acoustiques est très similaire pour l'eau et l'air dans cette gamme de fréquences.

L'extension de la capacité des communications sous-marines pourrait ouvrir de nouvelles voies d'exploration, les chercheurs ont dit. Cette capacité supplémentaire pourrait éventuellement faire la différence entre l'envoi d'un message texte uniquement et la transmission d'un long métrage en haute définition depuis le dessous de la surface de l'océan. Des sondes à distance dans les océans pourraient envoyer des données sans avoir besoin de faire surface.

"Nous en savons beaucoup plus sur l'espace et notre univers que sur nos océans, " dit Shi. " La raison pour laquelle nous en savons si peu, c'est parce que nous n'avons pas les sondes pour étudier facilement les profondeurs de la mer. Ce travail pourrait considérablement accélérer nos recherches et notre exploration des océans. »