A correspondência de impedância é um conceito que pode maximizar a transmissão de energia de uma fonte por meio de uma mídia, e é estabelecido em elétrica, engenharia acústica e óptica. Freqüentemente, é necessário combinar uma impedância de carga com a fonte ou impedância interna de uma fonte de acionamento. O projeto existente para facilitar o casamento de impedância acústica é fundamentalmente limitado pela transmissão de banda estreita (transferência de dados com uma taxa de transferência lenta ou pequena). Em um novo relatório agora publicado em Avanços da Ciência , Erqian Dong e uma equipe de pesquisa na China e nos EUA detalharam uma classe anteriormente desconhecida de transformadores de impedância metagel bioinspirados para contornar os limites existentes, ao desenvolver um transformador embutido em uma matriz de metamaterial de cilindros de aço dentro do hidrogel. A equipe, então, teoricamente analisou a transmissão de banda larga após a introdução da impedância acústica bioinspirada (o produto da densidade da mídia porosa através da qual uma onda sonora viaja e a velocidade da onda sonora) e conduziu experimentos com o dispositivo para mostrar a implementação eficiente do metagel durante a água experimentos de detecção de ultrassom. O construto experimental manteve uma suave, composição sintonizável e irá pavimentar uma maneira nova e inesperada de projetar dispositivos de correspondência de impedância de banda larga de próxima geração para diversas aplicações de engenharia de ondas.

Metamateriais e materiais acústicos

A correspondência de impedância pode maximizar a transmissão de energia entre dois meios incompatíveis. Na década de 1920, Os laboratórios Bell descobriram a importância da combinação de impedância para facilitar a comunicação telefônica transcontinental e os pesquisadores, desde então, projetaram várias camadas e metamateriais acústicos para obter transmissão sintonizável e de banda larga. Contudo, ainda é um desafio superar a transmissão de banda estreita. Em canais com fio, a banda estreita indica um canal suficientemente estreito onde a resposta de frequência é considerada plana com uma taxa de transferência de dados lenta. Nesse trabalho, Dong et al. relataram uma estratégia para superar os limites de banda estreita com um transformador de impedância metagel bioinspirado (conhecido como BMIT) - bioinspirado pelos sistemas de sonar de golfinhos usados ​​para ecolocalização em ambientes subaquáticos. Para cumprir a distribuição de impedância esperada, Dong et al. hidrogel incorporado em uma matriz de cilindros de aço para projetar e construir um metamaterial. Metamateriais são uma ferramenta poderosa para programar e projetar as propriedades físicas de microestruturas e fornecer uma variedade de novos efeitos, incluindo difração negativa para camuflagem invisível e outras transmissões extraordinárias. Os hidrogéis também são candidatos potenciais para tais aplicações devido ao seu soft, natureza úmida e biocompatível. Esse material pode ser usado para estabelecer a transmissão acústica de banda larga entre duas mídias incompatíveis. A nova construção, portanto, integrou os recursos de um metamaterial e hidrogel.

Dong et al. reconstruiu a distribuição da impedância acústica gradiente localizada na cabeça de um golfinho corcunda do Indo-Pacífico usando tomografia computadorizada seguida por experimentos de tecido para obter a distribuição da impedância acústica gradiente dentro da cabeça do golfinho. Os cientistas transmitiram um espectro de banda larga através do canal e calcularam a função de impedância acústica do BMIT em relação às propriedades biosonar do golfinho. A estrutura central do construto manteve baixa impedância acústica e agiu como um canal acústico para guiar o fluxo de energia. A equipe imitou a testa deformável do golfinho usando estruturas de metagel e ajustou o perfil de impedância do material comprimindo o hidrogel para obter impedância acústica efetiva. Dong et al. mostraram que o BMIT alcançou o casamento de impedância de banda larga comparando os campos acústicos simulados do BMIT e o transformador de impedância de quarto de onda (QIT) - usado tipicamente para maximizar a transmissão de energia. O metagel 2-D desenvolvido para imitar a impedância bioinspirada tinha a vantagem do casamento de banda larga.

Revelando o mecanismo de casamento de impedância do BMIT.

A equipe conduziu mais investigações para entender os mecanismos de correspondência de impedância do BMIT. Por exemplo, golfinhos podem manipular as transmissões acústicas de seu biossensor por meio de distribuições de impedância acústica em suas testas, onde um sistema de combinação de impedância suave pode transmitir sinais de banda larga para a água. Os tecidos conjuntivos da testa do golfinho se assemelham a uma estrutura semelhante a um chifre complexa na região posterior da testa, que contém a impedância acústica mais alta. Como resultado, os golfinhos podem ajustar os músculos da testa por meio da compressão do músculo facial para obter a deformação do tecido e manipular a diretividade acústica. De acordo com a acústica de transformação (uma ferramenta que mostra as propriedades precisas do material necessárias para manipular especificamente as ondas sonoras), a função de impedância pode ser transformada através da impedância característica acústica baseada na deformação geométrica. Neste caso, o metagel representava uma versão em espaço comprimido da estrutura do chifre do golfinho e oferecia um acoplamento sólido-acústico para o dispositivo subaquático.

Prova de conceito

Os cientistas verificaram as aplicações de combinação de impedância de banda larga do BMIT, desenvolvendo experimentalmente uma matriz hexagonal 2-D de cilindros de aço embutidos em hidrogel de agarose. A impedância acústica do hidrogel de agarose foi relativamente semelhante ao tecido do golfinho. Para ajustar a impedância acústica do BMIT resultante, a equipe mudou a taxa de enchimento dos cilindros metálicos ou comprimiu o hidrogel constituinte. Eles então realizaram experimentos de transmissão de ultrassom subaquático em um tanque de água e compararam os sinais acústicos transmitidos de QIT (transformador de impedância de quarto de onda) e BMIT (transformador de impedância metagel bioinspirado), onde os resultados experimentais concordam com simulações numéricas. A equipe então realizou a detecção de ultrassom subaquático usando BMIT e QIT para acoplar um transdutor de eco-sonda com água (um dispositivo para enviar ondas sonoras e receber ecos). Eles observaram que o BMIT transmitiu sinais de maior intensidade e alcançou distâncias de detecção mais longas. O material BMIT apresentou melhor desempenho em comparação ao QIT sob intensidade de incidente acústico semelhante; Portanto, Dong et al. defendida para seu uso em funções de correspondência de impedância de banda larga para aplicações de detecção subaquática.

Desta maneira, Erqian Dong e colegas mostraram como o transformador de impedância metagel bioinspirado (BMIT) superou o limite de banda estreita quebrando a dependência do comprimento de onda. A equipe desenvolveu este dispositivo bioinspirado imitando o biosonar dos golfinhos. Embora o biosonar do golfinho seja um transformador de impedância 3-D complexo, o metagel 2-D bioinspirado permitiu o casamento de impedância de banda larga para melhorar a transmissão de energia. O dispositivo combinado de hidrogel bioinspirado e metamaterial ofereceu recursos atraentes para ajuste eficaz. A impedância acústica do metagel pode ser ajustada atribuindo diferentes níveis de compressão, mantendo a transmissão acústica de banda larga constante. Desta maneira, O BMIT forneceu uma nova estrutura para projetar um transformador de impedância de banda larga para sonar ou radar de alta resolução. Este trabalho terá um impacto significativo em diversas áreas, incluindo acústica, eletrônicos, mecânica e em eletromagnetismo.

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