Ученые заставили звуковые волны распространяться только в одном направлении
Обычно звук и другие волны распространяются одинаково в обоих направлениях: вперед и назад. Это отлично подходит для разговоров, так как оба человека могут слышать друг друга. Однако в некоторых технических приложениях лучше, если волны распространяются только в одном направлении, чтобы избежать нежелательных отражений, как в случае со светом или микроволнами.
Исследователи выяснили, как подавить звуковые волны, движущиеся назад, около десяти лет назад. Однако это также ослабило волны, движущиеся вперед.
Теперь исследовательская группа из Швейцарской высшей технической школы Цюриха (ETH) разработала метод, позволяющий остановить распространение звуковых волн в обратном направлении, сохранив при этом их сильное поступательное движение.
Такая односторонняя звуковая система основана на автоколебаниях, где динамическая система периодически повторяет свое поведение. По мнению исследователей, этот метод может быть применен к электромагнитным волнам.
Профессор Николя Нуар придумал хитрый способ заставить звуковые волны двигаться только в одном направлении, используя самоподдерживающиеся акустические колебания через циркулятор. В этой установке естественное ослабление звуковых волн уравновешивается автоколебаниями в циркуляторе, которые синхронизируются с входящими волнами и помогают им набирать энергию.
Циркулятор представляет собой полость в форме диска, в которую воздух вдувается с одной стороны через центральное отверстие. Регулировка скорости продувки и интенсивности завихрения создает свистящий звук внутри полости. В отличие от обычных свистков, которые производят звук за счет стоячей волны в полости, этот новый аппарат генерирует звук за счет вращающейся волны.
Превращение идеи в эксперимент заняло некоторое время. Сначала Николя Нуар и его команда изучали механику жидкости вращающегося волнового свистка. Затем они добавили три акустических волновода, расположенных в треугольной форме по краю циркулятора.
Звуковые волны, входящие через первый волновод, могут выходить через второй. Однако, если волна входит через второй волновод, она не может пойти «назад» через первый; вместо этого она выходит через третий волновод.
После нескольких лет разработки и теоретического моделирования исследователи ETH наконец смогли протестировать свой циркулятор в экспериментах. Они послали звуковую волну с частотой около 800 Герц (похожую на высокую ноту соль, которую поет сопрано) через первый волновод и измерили, насколько хорошо она прошла во второй и третий волноводы.
Как и ожидалось, звуковая волна не достигла третьего волновода. Однако из второго волновода (в направлении «вперед») вышла звуковая волна, которая была даже сильнее исходной волны, которую они послали.
«Эта концепция невзаимного распространения волн с компенсацией потерь, по нашему мнению, является важным результатом, который также может быть перенесен на другие системы» — говорят ученые.
Исследование было опубликовано в журнале Nature Communications.