La coincidencia de impedancia es un concepto que puede maximizar la transmisión de energía desde una fuente a través de un medio, y se establece a través de eléctricos, ingeniería acústica y óptica. Con frecuencia es necesario hacer coincidir una impedancia de carga con la fuente o la impedancia interna de una fuente de excitación. El diseño existente para facilitar la adaptación de impedancia acústica está fundamentalmente limitado por la transmisión de banda estrecha (transferencia de datos con una tasa de transferencia lenta o pequeña). En un nuevo informe ahora publicado en Avances de la ciencia , Erqian Dong y un equipo de investigación en China y los EE. UU. Detallaron una clase previamente desconocida de transformadores de impedancia metagel bioinspirados para eludir los límites existentes. mediante el desarrollo de un transformador incrustado en una matriz de metamaterial de cilindros de acero dentro de hidrogel. Luego, el equipo analizó teóricamente la transmisión de banda ancha después de introducir la impedancia acústica bioinspirada (el producto de la densidad de los medios porosos a través de los cuales viaja una onda de sonido y la velocidad de la onda de sonido) y realizó experimentos con el dispositivo para mostrar la implementación eficiente del metagel durante el agua. experimentos de detección de ultrasonido. El constructo experimental mantuvo un suave, composición sintonizable y allanará una nueva e inesperada forma de diseñar dispositivos de adaptación de impedancia de banda ancha de próxima generación para diversas aplicaciones de ingeniería de ondas.

Metamateriales y materiales acústicos

La coincidencia de impedancia puede maximizar la transmisión de energía entre dos medios que no coinciden. En la década de 1920, Los laboratorios Bell descubrieron la importancia de la adaptación de impedancia para facilitar la comunicación telefónica transcontinental y desde entonces los investigadores han diseñado múltiples capas y metamateriales acústicos para lograr una transmisión sintonizable y de banda ancha. Sin embargo, sigue siendo un desafío superar la transmisión de banda estrecha. En canales cableados, banda estrecha indica un canal suficientemente estrecho donde la respuesta de frecuencia se considera plana con una velocidad de transferencia de datos lenta. En este trabajo, Dong y col. informó de una estrategia para superar los límites de banda estrecha con un transformador de impedancia metagel bioinspirado (conocido como BMIT), bioinspirado por los sistemas de sonar de delfines utilizados para la ecolocalización en entornos submarinos. Para lograr la distribución de impedancia esperada, Dong y col. hidrogel incrustado en una matriz de cilindros de acero para diseñar y construir un metamaterial. Los metamateriales son una herramienta poderosa para programar y diseñar las propiedades físicas de las microestructuras y proporcionar una variedad de nuevos efectos, incluida la difracción negativa para el encubrimiento invisible y otras transmisiones extraordinarias. Los hidrogeles también son candidatos potenciales para tales aplicaciones debido a su suavidad, naturaleza húmeda y biocompatible. Dicho material se puede utilizar para establecer una transmisión acústica de banda ancha entre dos medios que no coinciden. Por lo tanto, la nueva construcción integró las características de un metamaterial y un hidrogel.

Dong y col. reconstruyó la distribución de la impedancia acústica en gradiente ubicada en la cabeza de un delfín jorobado del Indo-Pacífico utilizando una tomografía computarizada seguida de experimentos de tejido para obtener la distribución de la impedancia acústica en gradiente dentro de la cabeza del delfín. Los científicos transmitieron un espectro de banda ancha a través del canal y calcularon la función de impedancia acústica de BMIT en relación con las propiedades biosonar del delfín. La estructura del núcleo de la construcción mantuvo una baja impedancia acústica y actuó como un canal acústico para guiar el flujo de energía. El equipo imitó la frente deformable del delfín utilizando estructuras de metagel y afinó el perfil de impedancia del material comprimiendo el hidrogel para lograr una impedancia acústica efectiva. Dong y col. mostró que el BMIT logró igualar la impedancia de banda ancha al comparar los campos acústicos simulados del BMIT y el transformador de impedancia de cuarto de onda (QIT), que normalmente se usa para maximizar la transmisión de energía. El metagel 2-D desarrollado para imitar la impedancia bioinspirada tenía la ventaja de la adaptación de banda ancha.

Revelando el mecanismo de adaptación de impedancia de BMIT.

El equipo llevó a cabo más investigaciones para comprender los mecanismos de adaptación de impedancia de BMIT. Por ejemplo, los delfines pueden manipular las transmisiones acústicas de su biosensor a través de distribuciones de impedancia acústica en sus frentes, donde un sistema de adaptación de impedancia suave puede transmitir señales de banda ancha al agua. Los tejidos conectivos de la frente del delfín se asemejan a una estructura compleja en forma de cuerno en la región posterior de la frente, que contiene la impedancia acústica más alta. Como resultado, Los delfines pueden ajustar los músculos de la frente mediante la compresión de los músculos faciales para lograr la deformación del tejido y manipular la directividad acústica. Según la acústica de transformación (una herramienta que muestra las propiedades precisas del material necesarias para manipular específicamente las ondas sonoras), la función de impedancia podría transformarse a través de la impedancia característica acústica basada en la deformación geométrica. En este caso, el metagel representaba una versión en espacio comprimido de la estructura del cuerno del delfín y ofrecía un acoplamiento acústico-sólido para el dispositivo submarino.

Prueba de concepto

Los científicos verificaron las aplicaciones de igualación de impedancia de banda ancha de BMIT mediante el desarrollo experimental de una matriz hexagonal bidimensional de cilindros de acero incrustados en hidrogel de agarosa. La impedancia acústica del hidrogel de agarosa fue relativamente similar al tejido del delfín. Para ajustar la impedancia acústica del BMIT resultante, el equipo cambió la proporción de llenado de los cilindros metálicos o comprimió el hidrogel constituyente. Luego realizaron experimentos de transmisión de ultrasonido bajo el agua en un tanque de agua y compararon las señales acústicas transmitidas de QIT (transformador de impedancia de cuarto de onda) y BMIT (transformador de impedancia metagel bioinspirado), donde los resultados experimentales coincidieron con las simulaciones numéricas. Luego, el equipo realizó una detección de ultrasonido bajo el agua utilizando BMIT y QIT para acoplar un transductor de ecosonda con agua (un dispositivo para enviar ondas de sonido y recibir ecos). Observaron que BMIT transmitía señales de mayor intensidad y alcanzaba distancias de detección más largas. El material BMIT mostró un mejor rendimiento en comparación con QIT bajo una intensidad de incidente acústica similar; por lo tanto, Dong y col. defendió su uso en funciones de adaptación de impedancia de banda ancha para aplicaciones de detección subacuática.

De este modo, Erqian Dong y sus colegas mostraron cómo el transformador de impedancia metagel bioinspirado (BMIT) superó el límite de banda estrecha al romper la dependencia de longitud de onda. El equipo desarrolló este dispositivo bioinspirado imitando el biosonar de los delfines. Mientras que el biosonar del delfín es un complejo transformador de impedancia tridimensional, el metagel 2-D bioinspirado permitió la igualación de impedancia de banda ancha para mejorar la transmisión de energía. El dispositivo combinado de hidrogel y metamaterial bioinspirado ofrecía características atractivas para una sintonización efectiva. La impedancia acústica del metagel se puede ajustar asignando diferentes niveles de compresión mientras se mantiene constante la transmisión acústica de banda ancha. De este modo, BMIT proporcionó un nuevo marco para diseñar un transformador de impedancia de banda ancha para sonar o radar de alta resolución. Este trabajo tendrá un impacto significativo en diversas áreas, incluida la acústica, electrónica, mecánica y electromagnetismo.

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