Urządzenie opracowane przez naukowców z ETH Zurich składa się z wnęki w kształcie dysku z trzema równomiernie rozmieszczonymi portami, z których każdy może wysyłać lub odbierać dźwięk. W stanie nieaktywnym dźwięk przesyłany z portu 1 jest słyszalny do portów 2 i 3 z równą głośnością. Fale dźwiękowe odbijają się również do portu 1 jako echo. Jednak gdy system działa, tylko port 2 słyszy dźwięki portu 1.
Sztuczka polega na wdmuchiwaniu wirującego powietrza do wnęki z określoną prędkością i intensywnością, co pozwala falom dźwiękowym synchronizować się w powtarzającym się wzorze. To nie tylko skupia fale dźwiękowe w jednym kierunku, ale także nadaje tym oscylacjom więcej energii, dzięki czemu się nie rozpraszają. Może to mieć wpływ na projektowanie przyszłych technologii komunikacyjnych. Nowe metamateriały mogłyby manipulować nie tylko falami dźwiękowymi, ale potencjalnie także falami elektromagnetycznymi. Szczegóły opisano w czasopiśmie Nature Communications.
Jednokierunkowe fale dźwiękowe – do czego mogą się przydać?
Podobnie jak fale światła lub wody, fale dźwiękowe w typowym medium są wzajemne. Oznacza to, że droga, jaką przebywają fale dźwiękowe między dwoma punktami, działa w obu kierunkach w taki sam sposób, pod warunkiem, że warunki środowiskowe są identyczne.
Czytaj też: Pierścienie plazmowe jak moc z “Gwiezdnych wojen”. To czysta fizyka, nie telekineza
Innymi słowy, jeżeli fala dźwiękowa przemieszcza się z punktu A do punktu B, to gdybyśmy zamienili źródło i odbiornik miejscami (czyli źródło umieścili w punkcie B, a odbiornik w punkcie A), charakterystyka propagacji fali dźwiękowej pozostanie taka sama. Oznacza to, że odbiornik w punkcie A usłyszy fale tak samo, jak odbiornik w punkcie B wcześniej usłyszał falę z punktu A.
Zasada ta opiera się na symetryczności zjawisk akustycznych w liniowych, niezmiennych w czasie układach. Przykładem może być rozmowa dwóch osób: jeśli osoba A mówi do osoby B, dźwięk podróżuje w określony sposób. Gdyby osoba B mówiła do osoby A, dźwięk przemieszczałby się po tej samej trasie, o ile nie wystąpią zmiany w medium (np. powietrzu), czy w samej przestrzeni, przez którą dźwięk się przemieszcza.
Są sytuacje, w których przydatne byłoby uczynienie dźwięku niewzajemnym, np. wtedy, gdy wymagane jest tłumienie hałasu. W 2014 r. naukowcy z University of Texas w Austin opracowali cyrkulator akustyczny, który używał małych wentylatorów do wdmuchiwania powietrza przez pierścień rezonansowy. Gdy dźwięk wchodzi z jednego z trzech portów, fale dźwiękowe stają się niewzajemne i można je usłyszeć tylko w jednym z pozostałych portów, a nie w obu. Był jednak pewien haczyk: dźwięk rozpraszał się w trakcie podróży, osłabiając fale docierające do celu. Dlatego zespół ETH Zurich postanowił zapobiec utracie energii przez fale dźwiękowe podczas ich jednokierunkowej podróży.
W tym przypadku powietrze wirujące w rurze wchodzi do pierścienia od środka, powodując samopodtrzymujące się oscylacje ciśnienia akustycznego wewnątrz wnęki. Poprzez dostrojenie tych oscylacji do częstotliwości fal dźwiękowych wchodzących do środka, fale mogą faktycznie zyskać energię, zapobiegając ich osłabieniu. Naukowcy zbudowali cyrkulator akustyczny i przetestowali swój wynalazek, wysyłając fale dźwiękowe o częstotliwości około 800 Hz z jednego falowodu i mierząc, w jaki sposób dotarły do pozostałych dwóch.
Prawdopodobnie, gdy fale dotarły do drugiego falowodu, nie osłabły – wręcz przeciwnie, były w rzeczywistości silniejsze niż w momencie transmisji. Nie wykryto żadnych fal dźwiękowych w trzecim falowodzie, co pokazuje, że osiągnięto oba cele.
Taki cyrkulator akustyczny może pomóc innym naukowcom w badaniu propagacji i manipulacji falami dźwiękowymi. Ogólną koncepcję można by nawet wykorzystać do kierowania falami elektromagnetycznymi w celu uzyskania lepszych systemów radarowych lub komunikacyjnych.