蘇黎世聯(lián)邦理工學院的研究人員成功讓聲波只朝一個方向傳播。未來,這種方法還可以用于電磁波的技術(shù)應(yīng)用。
水波、光波和聲波通常以相同的方式向前和向后傳播。因此,當我們與站在遠處的人交談時,對方可以聽到我們的聲音,就像我們能聽到對方的聲音一樣。這在交談時很有用,但在某些技術(shù)應(yīng)用中,人們希望波只能沿一個方向傳播——例如,為了避免不必要的光或微波反射。
十年前,研究人員成功抑制了聲波在后向傳播;然而,這也減弱了向前傳播的波。
蘇黎世聯(lián)邦理工學院燃燒、聲學和流動物理學教授NicolasNoiray領(lǐng)導的研究小組與洛桑聯(lián)邦理工學院的RomainFleury合作,現(xiàn)已開發(fā)出一種方法,可以防止聲波向后傳播,而不會損害其向前傳播的速度。
未來,這種最近發(fā)表在《自然通訊》上的方法也可以應(yīng)用于電磁波。
這種聲波單行道的基礎(chǔ)是自激振蕩,其中動態(tài)系統(tǒng)周期性地重復其行為。“實際上,我職業(yè)生涯的大部分時間都在防止這種現(xiàn)象,”Noiray說道。
除此之外,他還研究了航空發(fā)動機燃燒室內(nèi)的聲波和火焰相互作用如何產(chǎn)生自持熱聲振蕩,這種振蕩可能導致危險的振動。在最壞的情況下,這些振動可能會摧毀發(fā)動機。
無害且有用的自激振蕩
Noiray的想法是利用無害的自持氣動聲學振蕩,使聲波只沿一個方向傳播,而不會通過所謂的循環(huán)器造成任何損失。在他的方案中,聲波不可避免的衰減通過與入射波同步的循環(huán)器自振蕩來補償,從而使入射波能夠從這些振蕩中獲得能量。
循環(huán)器本身由一個圓盤狀的空腔組成,旋轉(zhuǎn)的空氣從空腔的一側(cè)通過中心的開口吹入。對于特定的吹氣速度和旋渦強度的組合,空腔中會產(chǎn)生哨聲。
“普通哨子的聲音是由腔體內(nèi)的駐波產(chǎn)生的,而這種新型哨子的聲音則是由旋轉(zhuǎn)波產(chǎn)生的,”Noiray研究小組的前博士生、這項研究的主要作者TiemoPedergnana解釋道。
從構(gòu)思到實驗,花了不少時間。首先,Noiray和他的同事研究了旋轉(zhuǎn)波哨的流體力學,然后為其添加了三個聲波導管,它們沿著循環(huán)器的邊緣呈三角形排列。
通過第一波導輸入的聲波可以通過第二波導離開循環(huán)器。但是,通過第二波導輸入的波不能通過第一波導“向后”輸出,但可以通過第三波導輸出。
聲波作為玩具模型
經(jīng)過數(shù)年時間,ETH的研究人員開發(fā)并理論建模了循環(huán)器的各個部分;現(xiàn)在,他們終于可以通過實驗證明他們的損耗補償方法是有效的。他們通過第一個波導發(fā)送了頻率約為800赫茲(大約是女高音的高音)的聲波,并測量了聲波傳輸?shù)降诙€和第三個波導的情況。
正如預期的那樣,聲波沒有到達第三個波導。然而,從第二個波導(在“向前”方向),出現(xiàn)了一個比最初發(fā)送的聲波更強的聲波。
Noiray表示:“我們認為,這種損耗補償非互易波傳播的概念是一項重要成果,它也可以轉(zhuǎn)移到其他系統(tǒng)中。”他主要將自己的聲波循環(huán)器視為一種強大的玩具模型,用于使用同步自激振蕩進行波操縱的一般方法,例如,可以應(yīng)用于電磁波的超材料。
這樣,雷達系統(tǒng)中的微波就可以得到更好的引導,并可以實現(xiàn)所謂的拓撲電路,從而可以在未來的通信系統(tǒng)中對信號進行路由。
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