Una nueva estrategia para enviar ondas acústicas a través del agua podría abrir el mundo de las actividades de comunicaciones de alta velocidad bajo el agua. incluido el buceo, monitoreo remoto del océano, y exploración de aguas profundas.

Aprovechando la rotación dinámica generada a medida que viajan las ondas acústicas, los momentos angulares orbitales, Los investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía (Berkeley Lab) pudieron empaquetar más canales en una sola frecuencia, aumentando efectivamente la cantidad de información que se puede transmitir.

Lo demostraron codificando en forma binaria las letras que componen la palabra "Berkeley, "y transmitir la información a lo largo de una señal acústica que normalmente llevaría menos datos. Describen sus hallazgos en un estudio publicado esta semana en el procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias .

"Es comparable a pasar de una carretera lateral de un solo carril a una carretera de varios carriles, ", dijo el autor correspondiente del estudio, Xiang Zhang, científico principal de la facultad en la División de Ciencias de Materiales de Berkeley Lab y profesor en UC Berkeley. "Este trabajo tiene un enorme potencial en las comunicaciones acústicas de alta velocidad".

Mientras aumenta la actividad humana debajo de la superficie del mar, la capacidad de comunicarse bajo el agua no ha seguido el ritmo, limitado en gran parte por la física. Las microondas se absorben rápidamente en agua, por lo que las transmisiones no pueden llegar muy lejos. La comunicación óptica no es mejor, ya que la luz se dispersa por micropartículas bajo el agua cuando viaja a largas distancias.

La acústica de baja frecuencia es la opción que queda para la comunicación submarina de largo alcance. Abundan las aplicaciones de sonar, incluida la navegación, cartografía del fondo marino, pesca, topografía de petróleo en alta mar, y detección de embarcaciones.

Sin embargo, la compensación con la comunicación acústica, particularmente con distancias de 200 metros o más, es que el ancho de banda disponible está limitado a un rango de frecuencia dentro de los 20 kilohercios. Frecuencia que limita la velocidad de transmisión de datos a decenas de kilobits por segundo, una velocidad que se remonta a los días de las conexiones de acceso telefónico a Internet y los módems de 56 kilobits por segundo, dijeron los investigadores.

"La forma en que nos comunicamos bajo el agua es todavía bastante primitiva, ", dijo Zhang." Hay un gran apetito por una mejor solución para esto ".

Los investigadores adoptaron la idea de multiplexar, o combinar diferentes canales juntos sobre una señal compartida, o multiplexación, es una técnica muy utilizada en telecomunicaciones y redes informáticas. Pero la multiplexación del momento angular orbital es un enfoque que no se había aplicado a la acústica hasta este estudio. dijeron los investigadores.

A medida que el sonido se propaga, el frente de onda acústica forma un patrón helicoidal, o haz de vórtice. El momento angular orbital de esta onda proporciona un grado de libertad espacial y canales independientes sobre los que los investigadores podrían codificar datos.

"La rotación ocurre a diferentes velocidades para canales con diferente momento angular orbital, incluso si la frecuencia de la onda en sí permanece igual, hacer que estos canales sean independientes entre sí, "dijo el coautor principal del estudio, Chengzhi Shi, estudiante de posgrado en el laboratorio de Zhang. "Es por eso que podríamos codificar diferentes bits de datos en el mismo haz o pulso acústico. Luego usamos algoritmos para decodificar la información de los diferentes canales porque son independientes entre sí".

La configuración experimental, ubicado en Berkeley Lab, consistía en un circuito de control digital con una matriz de 64 transductores, juntos generando frentes de onda helicoidales para formar diferentes canales. Las señales se enviaron simultáneamente a través de canales independientes del momento angular orbital. Usaron una frecuencia de 16 kilohercios, que está dentro del rango utilizado actualmente en el sonar. Un conjunto de receptores con 32 sensores midió las ondas acústicas, y se utilizaron algoritmos para decodificar los diferentes patrones.

"Modulamos la amplitud y fase de cada transductor para formar diferentes patrones y generar diferentes canales en el momento angular orbital, ", dijo Shi." Para nuestro experimento usamos ocho canales, así que en lugar de enviar solo 1 bit de datos, podemos enviar 8 bits simultáneamente. En teoria, sin embargo, el número de canales proporcionados por el momento angular orbital puede ser mucho mayor ".

Los investigadores notaron que, si bien el experimento se realizó en el aire, la física de las ondas acústicas es muy similar para el agua y el aire en este rango de frecuencia.

Ampliar la capacidad de las comunicaciones submarinas podría abrir nuevas vías de exploración, dijeron los investigadores. Esta capacidad adicional podría eventualmente marcar la diferencia entre enviar un mensaje de solo texto y transmitir una película de alta definición desde debajo de la superficie del océano. Las sondas remotas en los océanos podrían enviar datos sin la necesidad de salir a la superficie.

"Sabemos mucho más sobre el espacio y nuestro universo que sobre nuestros océanos, ", dijo Shi." La razón por la que sabemos tan poco es porque no tenemos las sondas para estudiar fácilmente las profundidades del mar. Este trabajo podría acelerar drásticamente nuestra investigación y exploración de los océanos ".