作者:Thamarasee Jeewandara，Phys
（同organic）有机 基于海豚结构的BMIT设计
(一)海豚头部的三维声阻抗分布和切片组织样本(图片来源:宋仲昌)
(二)通道的声阻抗剖面及其拟合曲线，用于获得BMIT阻抗函数(三)二维超凝胶结构示意图及相应的钢瓶直径剖面
(四)BMIT和QIT在频率f0 = 60千赫时的声场数值模拟比较
(五)BMIT和QIT在f0 = 120千赫频率下的声场比较
(六)BMIT和QIT数值模拟与理论解的频率响应比较
学分:科学进步，doi: 10
1126/sciadv
abb3641 阻抗匹配是一个概念，它可以最大化能量从源通过介质的传输，并建立在电气、声学和光学工程的基础上
经常需要将负载阻抗与源或驱动源的内部阻抗相匹配
促进声阻抗匹配的现有设计从根本上受到窄带传输(传输速率缓慢或较小的数据传输)的限制
在《科学进展》杂志上发表的一份新报告中，董二谦和一个中国和美国的研究小组
S
详细介绍了一类以前未知的生物感应超凝胶阻抗变换器，通过开发一种嵌入在水凝胶内钢圆柱体超材料矩阵中的变换器，绕过了现有的限制
在引入生物阻抗(声波传播的多孔介质的密度与声波速度的乘积)后，研究小组从理论上分析了宽带传输，并用该装置进行了实验，以证明在水下超声波检测实验中，超凝胶的有效实施
该实验结构保持了柔软、可调的组成，并将为设计用于各种波工程应用的下一代宽带阻抗匹配器件铺平新的、意想不到的道路
超材料和声学材料 阻抗匹配可以最大化两种不匹配介质之间的能量传输
在20世纪20年代，贝尔实验室发现阻抗匹配对促进洲际电话通信的重要性，此后研究人员设计了多层和声超材料来实现可调和宽带传输
然而，克服窄带传输仍然具有挑战性
在有线信道中，窄带表示足够窄的信道，其中频率响应被认为是平坦的，数据传输速率较低
在这项工作中，董等人
报道了一种利用生物感应的变凝胶阻抗变换器(被称为BMIT)克服窄带限制的策略，该变换器是海豚声纳系统在水下环境中用于回声定位的生物感应装置
为了完成预期的阻抗分布，董等人
将水凝胶嵌入钢柱矩阵中，设计并制造超材料
超材料是编程和设计微结构物理特性的强大工具，并提供各种新效果，包括隐形隐形隐形和其他特殊传输的负衍射
水凝胶由于其柔软、湿润和生物相容的特性，也是这类应用的潜在候选物
这种材料可用于在两种不匹配的介质之间建立宽带声传输
因此，这种新结构融合了超材料和水凝胶的特性
BMIT能够克服阻抗匹配的窄带限制
不匹配系统QIT和BMIT的传输功率对L/λ的依赖性，其中L/λ对应于ω/4ωc，Q = 22
8用于压电换能器，并给出了小反射和小阻抗微扰理论的BMIT近似解
QIT和BMIT的传输功率对L/λ的依赖关系，其中Q = 11
4和32
1分别对应于铝和钢
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abb3641 这个实验——构建一个由一只印度-太平洋驼背海豚设计的声纳系统 董等
使用计算机断层扫描重建位于印度-太平洋驼背海豚头部的梯度声阻抗分布，随后进行组织实验以获得海豚头部内的梯度声阻抗分布
科学家们通过这个通道传输了一个宽带频谱，并计算了BMIT相对于海豚生物声纳特性的声阻抗函数
该结构的核心结构保持低声阻抗，并作为声通道来引导能量流
该团队使用超凝胶结构模拟海豚的可变形前额，并通过压缩水凝胶来实现有效的声阻抗，从而调整材料的阻抗分布
董等
显示BMIT通过比较BMIT和四分之一波长阻抗变换器(QIT)的模拟声场实现了宽带阻抗匹配，四分之一波长阻抗变换器通常用于最大化能量传输
为模拟生物阻抗而开发的二维凝胶具有宽带匹配的优势
宽带传输的BMIT实验测量
(一)实验装置和用二维六边形钢筒阵列组装水凝胶的程序的系统图
(二)气缸直径和压缩比对声阻抗的影响(照片信用:二千东)
QIT和BMIT的实验测量和数值模拟之间的频率响应比较，其中顶部和底部曲线对应于L = 2
5和1
分别为5厘米
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abb3641 揭示BMIT阻抗匹配机制
该小组进行了进一步的调查，以了解BMIT的阻抗匹配机制
例如，海豚可以通过前额的声阻抗分布操纵生物传感器的声传输，软阻抗匹配系统可以将宽带信号传输到水中
海豚前额的结缔组织类似于前额后部复杂的喇叭状结构，它包含最高的声阻抗
因此，海豚可以通过面部肌肉压缩来调节前额肌肉，以实现组织变形和操纵声音方向性
根据转换声学(一种显示具体操纵声波所需的精确材料特性的工具)，阻抗函数可以通过基于几何变形的声学特征阻抗来转换
在这种情况下，超凝胶代表了海豚角结构的压缩空间版本，并为水下设备提供了声固耦合
BMIT宽带阻抗匹配在水下超声检测中的应用
(甲)和(乙)对应于L = 2
5和1
“W”和“O”分别代表钢墙和铁物体
QIT和BMIT用回声测深仪测量下列情况:(一)没有物体，(二)有一个不动的物体，(三)有一个摇摆的物体
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abb3641 概念证明 科学家们通过实验开发了一种嵌入在琼脂糖水凝胶中的二维六边形钢柱阵列，验证了BMIT的宽带阻抗匹配应用
琼脂糖水凝胶的声阻抗与海豚的组织相对相似
为了调整最终BMIT的声阻抗，研究小组改变了金属圆柱体的填充比例或者压缩了组成的水凝胶
然后，他们在一个水箱中进行了水下超声波传输实验，并比较了QIT(四分之一波阻抗变换器)和BMIT(生物感应超材料凝胶阻抗变换器)的传输声信号，实验结果与数值模拟一致
该小组随后利用BMIT和QIT将一个回声测深传感器与水(一种发出声波和接收回声的设备)耦合，进行水下超声波探测
他们指出，BMIT传输的信号强度更高，探测距离更长
在相似的声入射强度下，BMIT材料表现出比QIT更好的性能；因此，董等人
提倡将其用于水下传感应用的宽带阻抗匹配功能
通过这种方式，董二谦和他的同事展示了生物激发的金属凝胶阻抗变换器(BMIT)是如何通过打破长度-波长依赖性来克服窄带限制的
该团队通过模仿海豚的生物传感器开发了这种生物传感器
虽然海豚的生物传感器是一个复杂的三维阻抗转换器，但生物传感器二维超凝胶允许宽带阻抗匹配以增强能量传输
生物感应水凝胶和超材料设备的结合为有效的可调谐性提供了有吸引力的特征
可以通过分配不同的压缩水平来调整该凝胶的声阻抗，同时仍然保持恒定的宽带声传输
通过这种方式，BMIT为高分辨率声纳或雷达设计宽带阻抗变换器提供了一个新的框架
这项工作将对包括声学、电子学、力学和电磁学在内的不同领域产生重大影响
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