Новая техника позволяет распространять звуковые волны в одном направлении без потери интенсивности

С помощью нового типа свистка, известного как свисток с «вращающейся волной», ученым удалось распространять звуковые волны в одном направлении. В то время как волны обычно распространяются в двух направлениях (вперед и назад), система оснащена аэроакустическим автоколебателем, который позволяет звуковой волне распространяться только вперед, без потери интенсивности. Эта технология может быть применена и к электромагнитным волнам, что открывает широкие возможности для их использования.

Электромагнитные, звуковые или механические волны распространяются одинаково, но в двух разных направлениях (вперед и назад) в соответствии с явлением, известным как «взаимное распространение». Это означает, что распространение симметрично между приемником и передатчиком. Это можно наблюдать, например, во время разговора двух людей, находящихся на определенном расстоянии друг от друга. Слова, которыми они обмениваются, слышны с обеих сторон одинаково благодаря взаимному распространению.

Хотя эта взаимность важна для физических явлений, определяющих нашу повседневную жизнь, ее нарушение может быть очень полезным в области исследований. Например, распространение волны только в одном направлении позволяет избежать нежелательных отражений (реверберации) в некоторых экспериментах, тем самым устраняя шум (интерференцию) в результатах. Такое невзаимное распространение было исследовано, например, для электромагнитных и механических волн.

Около 10 лет назад ученым удалось распространить однонаправленные акустические волны с помощью резонансного резонатора, в котором циркулировал поляризованный воздушный поток. Однако звуковые волны, распространяемые вперед, систематически теряли интенсивность.

В новом исследовании ученые из Федеральной политехнической школы Цюриха (ETH Zürich) и Федеральной политехнической школы Лозанны (EPFL) в Швейцарии предлагают преодолеть эту проблему с помощью инновационной системы, компенсирующей эти потери.

Компенсация потерь с помощью системы автоколебаний

Техника, предложенная швейцарскими исследователями, основана на устройстве синхронизации, которое компенсирует рассеивание однонаправленных звуковых волн. «Я потратил значительную часть своей карьеры на расчеты подобных явлений», — говорит Николя Нуайе, соавтор исследования, в пресс-релизе ETH Zürich. Для этого Нуайе и остальные члены команды использовали самоосциллятор, который позволяет динамическим системам демонстрировать периодически повторяющееся поведение.

В частности, ученые разработали аэроакустический автоколебательный аппарат, который позволяет звуковым волнам распространяться в одном направлении через циркулятор без потери интенсивности. Неизбежное затухание волн систематически компенсируется за счет автоколебаний циркулятора. Они синхронизируются с входящими волнами, позволяя им набирать энергию и усиливаться, а не затухать.

Циркулятор состоит из полого диска, через отверстие в центре которого с одной стороны вдувается вихревой воздух. Определенная скорость обдува в сочетании с точной интенсивностью вихря создает свистящий звук. «В отличие от обычных свистков, в которых звук создается неподвижной волной в полости, в этом новом свистке он возникает благодаря вращающейся волне», — объясняет Тьемо Педергнана из ETH Zürich, ведущий автор исследования.

На втором этапе к вращающемуся волновому свистку были добавлены три акустических «волновода». Это изолирующие устройства треугольной формы, расположенные вдоль края циркулятора и направляющие входящие волны только в одном направлении. Звуковые волны, проходящие через первую направляющую, могут двигаться через циркулятор ко второй. Однако волна, проходящая через вторую направляющую, не может «вернуться» через первую направляющую, а может направиться к третьей.

Усиленное однонаправленное распространение

Чтобы протестировать новую систему, описанную в журнале

Nature Communications, специалисты передали звуковую волну на частоте около 800 герц (эквивалентно высокому G у сопрано), а затем измерили качество ее распространения через второй и третий волноводы. Волна не достигла третьего волновода. Вместо этого она достигла второго (т.е. двигалась вперед) без потери интенсивности и даже значительно усилилась.

По словам Нуайе, «эта концепция невзаимного распространения волн с компенсацией потерь — важный результат, который может быть перенесен и на другие системы». Другими словами, устройство может стать отличной моделью для манипулирования взаимностью других волн. Например, его можно применить в метаматериалах (композитных материалах с физическими свойствами, не встречающимися в природе) для распространения электромагнитных волн. Микроволны в радарных системах также могут быть оптимально направлены, а сигналы в системах связи — лучше проходить через специализированные схемы.