L'adaptation d'impédance est un concept qui peut maximiser la transmission d'énergie d'une source à travers un média, et est établi à travers électrique, ingénierie acoustique et optique. Il est souvent nécessaire d'adapter une impédance de charge à la source ou à l'impédance interne d'une source d'entraînement. La conception existante pour faciliter l'adaptation d'impédance acoustique est fondamentalement limitée par la transmission à bande étroite (transfert de données avec un taux de transfert lent ou faible). Dans un nouveau rapport maintenant publié le Avancées scientifiques , Erqian Dong et une équipe de recherche en Chine et aux États-Unis ont détaillé une classe auparavant inconnue de transformateurs d'impédance métagel bioinspirés pour contourner les limites existantes, en développant un transformateur intégré dans une matrice de métamatériaux de cylindres en acier au sein d'un hydrogel. L'équipe a ensuite analysé théoriquement la transmission à large bande après avoir introduit une impédance acoustique bioinspirée (le produit de la densité des milieux poreux à travers lesquels une onde sonore se déplace et la vitesse de l'onde sonore) et a mené des expériences avec l'appareil pour montrer la mise en œuvre efficace du métagel pendant l'immersion expériences de détection par ultrasons. La construction expérimentale a maintenu un doux, composition accordable et ouvrira une voie nouvelle et inattendue pour concevoir des dispositifs d'adaptation d'impédance à large bande de nouvelle génération pour diverses applications d'ingénierie des ondes.

Métamatériaux et matériaux acoustiques

L'adaptation d'impédance peut maximiser la transmission d'énergie entre deux supports incompatibles. Dans les années 1920, Les laboratoires Bell ont découvert l'importance de l'adaptation d'impédance pour faciliter la communication téléphonique transcontinentale et les chercheurs ont depuis conçu plusieurs couches et métamatériaux acoustiques pour obtenir une transmission accordable et à large bande. Cependant, il est toujours difficile de surmonter la transmission à bande étroite. Dans les canaux filaires, bande étroite indique un canal suffisamment étroit où la réponse en fréquence est considérée comme plate avec un taux de transfert de données lent. Dans ce travail, Dong et al. ont rapporté une stratégie pour surmonter les limites de bande étroite avec un transformateur d'impédance métagel bioinspiré (connu sous le nom de BMIT) - bioinspiré par les systèmes de sonar des dauphins utilisés pour l'écholocation dans les environnements sous-marins. Pour accomplir la distribution d'impédance attendue, Dong et al. hydrogel incorporé dans une matrice de cylindres en acier pour concevoir et construire un métamatériau. Les métamatériaux sont un outil puissant pour programmer et concevoir les propriétés physiques des microstructures et fournir une variété de nouveaux effets, y compris la diffraction négative pour le masquage invisible et d'autres transmissions extraordinaires. Les hydrogels sont également des candidats potentiels pour de telles applications en raison de leur douceur, nature humide et biocompatible. Un tel matériau peut être utilisé pour établir une transmission acoustique à large bande entre deux supports incompatibles. La nouvelle construction a donc intégré les caractéristiques à la fois d'un métamatériau et d'un hydrogel.

Dong et al. ont reconstruit la distribution de gradient d'impédance acoustique située dans la tête d'un dauphin à bosse de l'Indo-Pacifique à l'aide d'un balayage par tomodensitométrie suivi d'expériences tissulaires pour obtenir la distribution de gradient d'impédance acoustique dans la tête du dauphin. Les scientifiques ont transmis un spectre à large bande à travers le canal et ont calculé la fonction d'impédance acoustique du BMIT par rapport aux propriétés biosonaires du dauphin. La structure centrale de la construction maintenait une faible impédance acoustique et agissait comme un canal acoustique pour guider le flux d'énergie. L'équipe a imité le front déformable du dauphin à l'aide de structures en métagel et a ajusté le profil d'impédance du matériau en comprimant l'hydrogel pour obtenir une impédance acoustique efficace. Dong et al. ont montré que le BMIT obtenait une correspondance d'impédance à large bande en comparant les champs acoustiques simulés du BMIT et du transformateur d'impédance quart d'onde (QIT), généralement utilisé pour maximiser la transmission d'énergie. Le métagel 2-D développé pour imiter l'impédance bioinspirée avait l'avantage d'une adaptation à large bande.

Révéler le mécanisme d'adaptation d'impédance du BMIT.

L'équipe a mené d'autres investigations pour comprendre les mécanismes d'adaptation d'impédance du BMIT. Par exemple, les dauphins peuvent manipuler les transmissions acoustiques de leur biocapteur grâce à des distributions d'impédance acoustique dans leur front, où un système d'adaptation d'impédance douce peut transmettre des signaux à large bande dans l'eau. Les tissus conjonctifs du front du dauphin ressemblent à une structure complexe en forme de corne dans la région postérieure du front, qui contient l'impédance acoustique la plus élevée. Par conséquent, les dauphins peuvent ajuster leurs muscles du front grâce à la compression des muscles faciaux pour obtenir une déformation des tissus et manipuler la directivité acoustique. Selon l'acoustique de transformation (un outil qui montre les propriétés précises des matériaux nécessaires pour manipuler spécifiquement les ondes sonores), la fonction d'impédance pourrait être transformée par une impédance caractéristique acoustique basée sur la déformation géométrique. Dans ce cas, le métagel représentait une version à espace comprimé de la structure de la corne du dauphin et offrait un couplage acoustique-solide pour le dispositif sous-marin.

Preuve de concept

Les scientifiques ont vérifié les applications d'adaptation d'impédance à large bande du BMIT en développant expérimentalement un réseau hexagonal 2-D de cylindres en acier noyés dans de l'hydrogel d'agarose. L'impédance acoustique de l'hydrogel d'agarose était relativement similaire à celle du tissu du dauphin. Pour régler l'impédance acoustique du BMIT résultant, l'équipe a modifié le taux de remplissage des cylindres métalliques ou comprimé l'hydrogel constitutif. Ils ont ensuite réalisé des expériences de transmission d'ultrasons sous-marins dans un réservoir d'eau et comparé les signaux acoustiques transmis de QIT (transformateur d'impédance quart d'onde) et BMIT (transformateur d'impédance métagel bioinspiré), où les résultats expérimentaux concordaient avec les simulations numériques. L'équipe a ensuite effectué une détection par ultrasons sous-marine en utilisant BMIT et QIT pour coupler un transducteur d'échosondeur avec de l'eau (un appareil pour envoyer des ondes sonores et recevoir des échos). Ils ont noté que le BMIT transmettait des signaux d'intensité plus élevée et atteignait des distances de détection plus longues. Le matériau BMIT a montré de meilleures performances par rapport au QIT sous une intensité d'incident acoustique similaire ; donc, Dong et al. préconisé pour son utilisation dans les fonctions d'adaptation d'impédance à large bande pour les applications de détection sous-marine.

De cette façon, Erqian Dong et ses collègues ont montré comment le transformateur d'impédance métagel bioinspiré (BMIT) a surmonté la limite de bande étroite en brisant la dépendance longueur-longueur d'onde. L'équipe a développé cet appareil bio-inspiré en imitant le biosonar des dauphins. Alors que le biosonar du dauphin est un transformateur d'impédance 3D complexe, le métagel bio-inspiré 2-D a permis une adaptation d'impédance à large bande pour améliorer la transmission d'énergie. Le dispositif combiné d'hydrogel et de métamatériau bio-inspiré offrait des caractéristiques attrayantes pour une accordabilité efficace. L'impédance acoustique du métagel peut être ajustée en attribuant différents niveaux de compression tout en maintenant une transmission acoustique à large bande constante. De cette façon, BMIT a fourni un nouveau cadre pour concevoir un transformateur d'impédance à large bande pour un sonar ou un radar haute résolution. Ces travaux auront un impact significatif sur divers domaines, notamment l'acoustique, électronique, mécanique et en électromagnétisme.

© 2020 Réseau Science X