Forscher realisieren eine akustische Wasser-Luft-Kommunikation auf Basis einer breitbandigen Impedanzanpassung

Angesichts der steigenden Nachfrage nach Erkundung und Nutzung der Meeresressourcen ist die Erzielung einer direkten und effizienten Kommunikation zwischen Wasser und Luft ein dringender Bedarf. Schallwellen gelten als der einzige Ausbreitungsweg mit geringer Dämpfung sowohl im Wasser als auch in der Luft und gelten als die praktischste Möglichkeit, eine Wasser-Luft-Kommunikation zu erreichen.

Bisherige Studien können jedoch nur eine schmalbandige Schallübertragung auf Resonanzbasis realisieren, was die Kommunikationskapazität und -effizienz einschränkt.

Um eine effiziente akustische Wasser-Luft-Kommunikation zu erreichen, haben Forscher des Instituts für Akustik der Chinesischen Akademie der Wissenschaften (IACAS) luftbasierte und wasserbasierte Metafluide kombiniert, um eine Impedanzanpassungsschicht mit exponentiellem Gradienten für die breitbandige Wasser-Luft-Schallübertragung zu realisieren.

Die Studie wurde veröffentlicht in Briefe zur Angewandten Physik am 6. November.

Durch die gemeinsame Anpassung der Schallgeschwindigkeit und -dicke in Anpassungsschichten modulierten die Forscher die erforderlichen akustischen Parameter der Gradientenimpedanzanpassungsschicht (GIML) in einen erreichbaren Bereich, der die Realisierung der Wasser-Luft-GIML verspricht.

Sie konstruierten die entworfene Probe der passenden Schicht und maßen die Verbesserung der Schallübertragung in einem Wassertank. Experimentelle Ergebnisse zeigten, dass die vorgeschlagene Anpassungsschicht eine durchschnittliche Verbesserung der Schallenergieübertragung über 16,7 dB von 880 Hz bis 1760 Hz über die Wasser-Luft-Grenzfläche hinweg erreichen könnte.

Darüber hinaus wählten sie ein mehrfarbiges Bild aus und kodierten es im Übertragungsfrequenzband der Impedanzanpassungsschicht. Die kodierten Signale wurden in Luft ausgesendet und in Wasser empfangen.

Sie fanden heraus, dass das über die nackte Schnittstelle empfangene Bild mit einer Bitfehlerrate von bis zu 45,03 % kaum erkannt werden konnte, während das über GIML empfangene Bild mit einer vernachlässigbaren Bitfehlerrate von 0,05 % fast dem Zielbild entsprach. Die breitbandige Impedanzanpassung zwischen Luft und Wasser könnte Anwendungen in der akustischen Wasser-Luft-Kommunikation fördern.

Diese Arbeit liefert Referenz für den Entwurf und die Realisierung der breitbandigen Impedanzanpassung zwischen extremen Medien wie Wasser und Luft. Darüber hinaus bietet die erreichte breitbandige Wasser-Luft-Schallübertragung wichtige Anwendungsaussichten für zahlreiche Anwendungen in der Meereserkundung und zur Reduzierung der Unterwasserschallverschmutzung.