Исследователи из Института материалов IMDEA в сотрудничестве с Нанкинским и Хуачжунским университетами Китая разработали новый акустический метаматериал, способный передавать сложные звуковые сигналы непосредственно между водой и воздухом. Это достижение, описанное в статье «Высокоразмерный мультиплексный метаматериал для межсредовой связи исключительно звуком», представляет собой новый подход, который может значительно улучшить технологии подводной связи и открыть новые возможности применения, от мониторинга океана до медицинской визуализации.

Звук распространяется в воде и воздухе совершенно по-разному, поскольку они обладают кардинально разными акустическими свойствами, такими как плотность и скорость звука. Это несоответствие означает, что большинство звуковых волн, достигающих границы раздела вода-воздух, отражаются, а не передаются, что препятствует эффективной передаче звука.

В результате современные системы часто полагаются на промежуточные устройства, такие как буи или суда, которые преобразуют подводные акустические сигналы в радиосигналы, а затем передают их по воздуху. Этот процесс не только дорогостоящий, но и медленный, а также подвержен электромагнитным помехам.

Новый многомерный метаматериальный мост

Для преодоления этого ограничения исследователи разработали многомерный акустический метаматериал (HDM), который действует как пассивный мост для звуковых волн между водой и воздухом. В отличие от обычных материалов, которые обычно могут контролировать только один или два аспекта звука, новая структура может одновременно модулировать амплитуду, фазу, частоту и орбитальный угловой момент (OAM) — четыре ключевых параметра акустических волн.

Результаты исследования опубликованы в журнале Materials Horizons.

«Мы продемонстрировали, что предложенный метаматериал HDM способен модулировать все параметры поперечных звуковых волн между водой и воздухом, включая амплитуду, фазу, частоту и орбитальный угловой момент, пассивным, компактным и эффективным способом», — объясняет профессор Йохан Кристенсен из IMDEA Materials, один из авторов публикации.

«Благодаря этой многомерной характеристике данный метаматериал позволяет одновременно передавать и демодулировать пространственно-спектрально мультиплексированные сигналы из одной среды в другую, что значительно повышает пропускную способность канала и спектральную эффективность».

Реальные испытания и повышение производительности

Такое многомерное управление значительно увеличивает объем передаваемой информации, повышая как пропускную способность канала, так и спектральную эффективность. В экспериментах команда продемонстрировала передачу сложного изображения в реальном времени от подводного источника к нескольким бортовым приемникам, используя метаматериал в качестве пассивного «мета-ретранслятора».

Система поддерживала четыре независимых канала связи и обеспечивала очень низкий уровень битовых ошибок, значительно ниже одной десятой от предела прямой коррекции ошибок, оставаясь при этом устойчивой к фоновому шуму и колебаниям на поверхности воды.

Поскольку данная технология использует только звуковые волны и не требует преобразования в радиосигналы, она также может обеспечить повышенную безопасность и надежность.

«Эта технология на основе метаматериалов HDM открывает новую парадигму для управления звуковыми волнами в сложных межсредовых системах», — сказал профессор Кристенсен.

«Помимо подводной связи и операций на море и в воздухе, это также имеет далеко идущие последствия, охватывающие конкретные случаи, такие как транскраниальная ультразвуковая диагностика, и системы связи следующего поколения в развивающемся Интернете вещей».

«Я также хотел бы отметить прекрасное сотрудничество, стоящее за этой работой, в частности, с профессором Бин Ляном и его командой из Нанкинского университета, которые первыми предложили это исследование», — заключил профессор Кристенсен.