Физики создали звуковые волны, которые распространяются только в одном направлении
Представьте себе трех человек, собравшихся в круг, так что, когда один говорит, слышит только другой. Ученые создали устройство, которое работает таким образом, обеспечивая пульсацию звуковых волн только в одном направлении.
Устройство, разработанное учеными из ETH Zurich и Швейцарского федерального технологического института Лозанны, состоит из диска. -образная полость с тремя портами, расположенными на равном расстоянии друг от друга, каждый из которых может отправлять или принимать звук.
В неактивном состоянии звук, передаваемый из порта 1, слышен для портов 2 и 3 с одинаковой громкостью. Звуковые волны также возвращаются к порту 1 в виде эха.
Однако, когда система работает, только порт 2 слышит звуки порта 1.
Хитрость заключается в том, чтобы продувать вихревой поток воздуха в полость с определенной скоростью и интенсивностью, что позволяет звуковым волнам синхронизироваться по повторяющейся схеме. Это не только направляет звуковые волны в одном направлении, но и придает этим колебаниям больше энергии, поэтому они не рассеиваются. Это что-то вроде кольцевой дороги для звука.
Ученые говорят, что их метод может стать основой для разработки будущих коммуникационных технологий. Новые метаматериалы могут быть созданы для манипулирования не только звуковыми волнами, но и потенциально электромагнитными волнами.
«Эта концепция невзаимного распространения волн с компенсацией потерь, на наш взгляд, является важным результатом, который также можно перенести к другим системам», — говорит старший научный сотрудник Николя Нуаре.
Подобно волнам света или воды, звуковые волны в типичной среде являются взаимными, то есть их колебания могут распространяться назад так же легко, как и вперед.
Для любой пары отправителя и получателя вы можете поменяться ролями, и функция останется прежней. Возвращаясь к предыдущей аналогии, два человека в комнате, разговаривающие на одинаковой громкости без каких-либо препятствий между ними, могут четко слышать друг друга, поскольку звуковые волны свободно движутся в обоих направлениях.
Бывают случаи, когда это происходит. было бы полезно сделать звук невзаимным, возможно, когда требуется подавление шума. В 2014 году исследователи из Техасского университета в Остине разработали акустический циркуляционный аппарат, в котором использовались небольшие вентиляторы, продувающие воздух через резонансное кольцо. Когда звук поступает из одного из трех портов, звуковые волны становятся невзаимными и их можно услышать только в одном из других портов, а не в обоих.
Однако здесь была загвоздка: звук рассеивался по мере его появления. путешествовали, ослабляя волны, пришедшие к месту назначения. Поэтому команда ETH Zurich поставила перед собой задачу предотвратить потерю энергии звуковых волн на пути в один конец.
В этом случае воздух, закрученный по трубе, попадает в кольцо из центра, заставляя его свистеть. Это создает автоколебания акустического давления внутри резонатора. Настраивая эти колебания на частоту поступающих звуковых волн, волны могут набирать энергию, предотвращая их ослабление.
Команда построила акустический циркуляционный насос и протестировала его конструкцию, посылая звуковые волны с частотой около 800 Гц из одного волновода и измерения того, как они достигли двух других.
Конечно, к тому времени, когда волны достигли второго волновода, они не ослабели, а наоборот, стали сильнее. чем когда они были переданы. В третьем волноводе не было обнаружено никаких звуковых волн, что свидетельствует о том, что обе цели были достигнуты.
По иронии судьбы, идея использования колебаний для усиления звуковых волн возникла в результате работы, направленной на их уменьшение. Колебания, взаимодействующие со звуковыми волнами, могут нанести вред некоторым системам, например авиационным двигателям, но Нойрей понял, что их можно использовать и во благо.
Команда говорит, что акустический циркуляционный насос может помочь другим ученым изучать распространение звуковых волн и манипуляция. Эту общую концепцию можно даже применить, направляя электромагнитные волны для улучшения радаров или систем связи.
Исследование было опубликовано в журнале Nature Communications.
