研究人員使聲波只向一個(gè)方向傳播對(duì)電磁波技術(shù)有影響

蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的研究人員成功讓聲波只朝一個(gè)方向傳播。未來(lái)，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(dāng)我們與站在遠(yuǎn)處的人交談時(shí)，對(duì)方可以聽到我們的聲音，就像我們能聽到對(duì)方的聲音一樣。這在交談時(shí)很有用，但在某些技術(shù)應(yīng)用中，人們希望波只能沿一個(gè)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(xué)院燃燒、聲學(xué)和流動(dòng)物理學(xué)教授NicolasNoiray領(lǐng)導(dǎo)的研究小組與洛桑聯(lián)邦理工學(xué)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(huì)損害其向前傳播的速度。

未來(lái)，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(dòng)態(tài)系統(tǒng)周期性地重復(fù)其行為。“實(shí)際上，我職業(yè)生涯的大部分時(shí)間都在防止這種現(xiàn)象，”Noiray說(shuō)道。

除此之外，他還研究了航空發(fā)動(dòng)機(jī)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(dǎo)致危險(xiǎn)的振動(dòng)。在最壞的情況下，這些振動(dòng)可能會(huì)摧毀發(fā)動(dòng)機(jī)。

無(wú)害且有用的自激振蕩

Noiray的想法是利用無(wú)害的自持氣動(dòng)聲學(xué)振蕩，使聲波只沿一個(gè)方向傳播，而不會(huì)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(lái)補(bǔ)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(gè)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(duì)于特定的吹氣速度和旋渦強(qiáng)度的組合，空腔中會(huì)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(xiàng)研究的主要作者TiemoPedergnana解釋道。

從構(gòu)思到實(shí)驗(yàn)，花了不少時(shí)間。首先，Noiray和他的同事研究了旋轉(zhuǎn)波哨的流體力學(xué)，然后為其添加了三個(gè)聲波導(dǎo)管，它們沿著循環(huán)器的邊緣呈三角形排列。

通過第一波導(dǎo)輸入的聲波可以通過第二波導(dǎo)離開循環(huán)器。但是，通過第二波導(dǎo)輸入的波不能通過第一波導(dǎo)“向后”輸出，但可以通過第三波導(dǎo)輸出。

聲波作為玩具模型

經(jīng)過數(shù)年時(shí)間，ETH的研究人員開發(fā)并理論建模了循環(huán)器的各個(gè)部分;現(xiàn)在，他們終于可以通過實(shí)驗(yàn)證明他們的損耗補(bǔ)償方法是有效的。他們通過第一個(gè)波導(dǎo)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(cè)量了聲波傳輸?shù)降诙€(gè)和第三個(gè)波導(dǎo)的情況。

正如預(yù)期的那樣，聲波沒有到達(dá)第三個(gè)波導(dǎo)。然而，從第二個(gè)波導(dǎo)(在“向前”方向)，出現(xiàn)了一個(gè)比最初發(fā)送的聲波更強(qiáng)的聲波。

Noiray表示：“我們認(rèn)為，這種損耗補(bǔ)償非互易波傳播的概念是一項(xiàng)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(qiáng)大的玩具模型，用于使用同步自激振蕩進(jìn)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(dá)系統(tǒng)中的微波就可以得到更好的引導(dǎo)，并可以實(shí)現(xiàn)所謂的拓?fù)潆娐?，從而可以在未?lái)的通信系統(tǒng)中對(duì)信號(hào)進(jìn)行路由。

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