Fizicienii au generat unde sonore care se deplasează într-o singură direcție

Imaginați-vă trei oameni pe un cerc, astfel încât atunci când unul vorbește, doar altul aude. Oamenii de știință au creat un dispozitiv care funcționează în acest fel, permiţând undelor sonore să se propage într-o singură direcție.

Dispozitivul denumit circulatorul acustic a fost dezvoltat de oamenii de știință de la ETH Zurich și de la Institutul Federal Elvețian de Tehnologie Lausanne. El este alcătuit dintr-o cavitate în formă de disc cu trei orificii (porturi) egal distanțate, care pot trimite sau primi unde sonore.

Atunci când dispozitivul este oprit, sunetul transmis de la portul 1 este audibil către porturile 2 și 3 la volume egale. Undele sonore revin la portul 1 ca ecou. Totuşi, atunci când sistemul funcționează, numai la portul 2 se aude sunetul portului 1.

Prin introducerea aerului în cavitate cu o anumită viteză, se generează un vârtej a cărui intensitate permite undelor sonore să se sincronizeze într-un model care se repetă. Aceasta nu numai că ghidează undele sonore într-o singură direcție, dar oferă şi mai multă energie acelor oscilații sonore, astfel încât acestea să nu se disipeze.

Dispozitivul este ca un fel de sens giratoriu pentru sunet.

Oamenii de știință cred că dispozitivul lor ar putea inspira proiectarea viitoarelor tehnologii de comunicații. Astfel, s-ar putea realiza noi metamateriale pentru a manipula nu doar undele sonore, ci și undele electromagnetice.

Autooscilațiile (roșu și albastru) ghidează undele sonore (verde, portocaliu, violet) într-o singură direcție prin circulatorul acustic. Credit: Xin Zou

„Acest concept de propagare a undelor nereciproce compensate cu pierderile este, în opinia noastră, un rezultat important care poate fi transferat și către alte sisteme”, a declarat cercetătorul Nicolas Noiry.

La fel ca undele luminoase (electromagnetice) sau undele din lichide, undele sonore într-un mediu tipic sunt reciproce, ceea ce înseamnă că oscilațiile lor se pot propaga înapoi la fel de ușor ca și înainte.

Pentru orice pereche emiţător-receptor, puteți schimba rolurile și funcția va rămâne aceeași. Pentru a reveni la analogia de mai sus, doi oameni aflaţi într-o cameră care conversează la același volum, fără obstacole între ei, se pot auzi clar, deoarece undele sonore se deplasează liber în ambele direcții.

Există situaţii în care este util ca undele sonore să fie nereciproce, cum ar fi atunci când este necesară suprimarea zgomotului. În 2014, cercetătorii de la Universitatea Texas din Austin au dezvoltat un circulator acustic care folosea ventilatoare mici pentru a sufla aer printr-un inel rezonant. Atunci când sunetul intră printr-unul dintre cele trei porturi, undele sonore devin nereciproce și pot fi auzite doar la unul dintre celelalte porturi, nu la ambele.

A existat, totuși, o problemă: sunetul s-a atenuat, astfel încât echipa ETH Zurich și-a propus să împiedice undele sonore să-şi piardă intensitatea în călătoria lor pe o direcţie unică.

Stânga: configurația experimentală. Dreapta: O diagramă a circulatorului acustic, cu săgeți care indică direcția unică a undelor sonore. Credit: Nicolas Noiry/ETH Zurich

În acest caz, aerul introdus sub formă de vârtej prin partea centrală a discului generează oscilații autointretinute în presiunea acustică din interiorul cavității. Prin reglarea acestor oscilații la frecvența undelor sonore care intră, undele pot câștiga efectiv energie, prevenind atenuarea lor.

Cercetătorii au construit circulatorul acustic și l-au testat trimițând printr-un port unde sonore cu o frecvență de aproximativ 800 Hz de la un ghid de undă și au măsurat cum au ajuns la celelalte două porturi.

Undele au ajuns la al doilea ghid de undă fără să slăbească în intensitate – dimpotrivă, erau de fapt mai puternice decât atunci când au fost transmise. Nu au fost detectate unde sonore la al treilea ghid de undă, ceea ce arată că ambele obiective au fost atinse.

În mod ironic, ideea din spatele utilizării oscilațiilor pentru a întări undele sonore a provenit din cercetările urmărind atenuarea acestora. Oscilațiile care interacționează cu undele sonore pot fi dăunătoare unor sisteme, cum ar fi motoarele de avioane, dar Noiry și-a dat seama că și ele ar putea fi valorificate.

Circulatorul acustic i-ar putea ajuta şi pe alți oameni de știință să studieze propagarea și manipularea undelor sonore. Conceptul general ar putea fi aplicat și pentru ghidarea undele electromagnetice în cadrul unor sisteme radar sau de comunicații mai bune.

Cercetarea a fost publicată în revista Nature Communications.

Traducere după Physicists Generated Sound Waves That Travel in One Direction Only