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海洋与地球学院张宇教授团队在Science子刊《Science Advances》发表研究成果
发布时间:2020年11月04日 来源: 责任编辑:谢晨馨

2020年10月30日,国际综合性Top期刊《Science Advances》在线发表我校海洋与地球学院张宇教授团队最新科研成果“Bioinspired Metagel with Broadband Tunable Impedance Matching”。

能量传输广泛应用于科学研究与工程实践中。20世纪初,贝尔实验室发现阻抗匹配能提高能量传输效率,这使跨大陆通信成为可能。当前,厚度为波长四分之一的阻抗匹配器被广泛应用于电、声和光等不同形式能量的传输中。水下声呐、超声无损监测和医用超声成像等均使用了声匹配层设计。然而,常规的均匀阻抗匹配器存在着基本的波长-长度依赖性,致使能量只能在窄频带内传输。自然界中存在天然的宽带传输现象。历经长期的自然选择,海豚进化出复杂、多相的回声定位系统,能将宽带声脉冲高效地传输到水中,其工作原理能为宽带阻抗匹配设计提供新思路。

我校海洋与地球学院海洋仿生声学与技术(Marine Bioinspired Acoustics and Technology) 实验室常年致力于生物声学与仿生研究。近日,实验室负责人张宇教授与美国麻省理工学院的方绚莱教授和赵选贺教授合作,结合海豚声学结构、超构材料设计以及水凝胶柔性材料,设计了一种全新的“超凝胶阻抗变换器”(BMIT)。研究团队提出了该阻抗变换器的不均匀声传输理论,揭示了其宽带声传输的工作机理。进一步,研究团队在开展的水下超声探测实验中,将超构结构嵌入至水凝胶基体中,实现BMIT的阻抗渐变特性与柔性可调。测量结果表明该人工结构能够实现水下宽带声传输与目标探测。BMIT结合海豚仿生、超构材料可编程与水凝胶可调的优势,突破传统阻抗匹配器的波长-长度依赖性,其原理可应用于声学、力学、电子学和电磁学等多个领域。

论文第一署名单位为18新利体育官网水声通信与海洋信息技术教育部重点实验室。海洋与地球学院博士研究生董尔谦、宋忠长博士为该论文共同第一作者,张宇教授、方绚莱教授为共同通讯作者。研究工作获得国家重点研发项目课题(2018YFC1407504)、国家自然科学基金(41676023; 41276040; 41422604; 11604128)等资助。

图1  A. 海豚头部的三维重建和组织样本;B. 海豚声主轴方向的阻抗分布函数;C. BMIT阵列示意图和尺寸分布;D-E. BMIT(凝胶-阻抗匹配结构)与QIT(四分之一波长阻抗匹配器)传输性能对比;F. BMIT与QIT频率响应的理论-模拟结果对比;

图2  A. BMIT实验示意图;B. 凝胶-阻抗变换器的压缩比和填充率与声阻抗变换关系;C. 四分之一波长匹配器和凝胶-阻抗变换器的模拟-实验结果对比图。

(海洋与地球学院)


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