Naukowcy opracowali technologię, która umożliwia falom dźwiękowym rozprzestrzenianie się wyłącznie do przodu, eliminując bez strat transmisję wsteczną. System ten, oparty na mechanizmach samooscylacyjnych, mógłby znacząco usprawnić zarządzanie falami elektromagnetycznymi w różnych technologiach.
- Dźwięk i inne fale zwykle rozchodzą się jednakowo do przodu i do tyłu.
- Naukowcy opracowali obecnie metodę zapobiegającą cofaniu się fal dźwiękowych bez pogarszania ich propagacji w kierunku do przodu.
- W przyszłości metodę tę można będzie zastosować również do fal elektromagnetycznych, na przykład w technologii radarowej.
Propagacja fal w codziennej komunikacji
Niezależnie od tego, czy jest to woda, światło czy dźwięk: fale zwykle rozchodzą się w ten sam sposób do przodu i do tyłu. W rezultacie, gdy mówimy do kogoś, kto stoi w pewnej odległości od nas, ta osoba słyszy nas równie dobrze, jak my ją. Jest to przydatne podczas rozmowy, ale w niektórych zastosowaniach technicznych pożądane byłoby, aby fale mogły przemieszczać się tylko w jednym kierunku – na przykład w celu uniknięcia niepożądanych odbić światła lub mikrofal.
Przełom w kontroli fal dźwiękowych
W przypadku fal dźwiękowych dziesięć lat temu naukowcom udało się stłumić ich propagację w kierunku wstecznym; jednakże osłabiło to również fale przemieszczające się do przodu. Zespół naukowców z ETH Zurich pod kierownictwem Nicolasa Noiray’a, profesora spalania, akustyki i fizyki przepływów, we współpracy z Romainem Fleurym z EPFL, opracował obecnie metodę zapobiegania cofaniu się fal dźwiękowych bez pogarszania ich propagacji w kierunku do przodu.
W przyszłości ta metoda, która została niedawno opublikowana w czasopiśmie naukowym Komunikacja przyrodniczamożna również zastosować do fal elektromagnetycznych.
Innowacyjne wykorzystanie samooscylacji
Podstawą tej jednokierunkowej drogi dla fal dźwiękowych są samooscylacje, w których układ dynamiczny okresowo powtarza swoje zachowanie. „Właściwie poświęciłem znaczną część swojej kariery na zapobieganie takim zjawiskom” – mówi Noiray.
Bada między innymi, w jaki sposób samopodtrzymujące się oscylacje termoakustyczne mogą powstawać w wyniku wzajemnego oddziaływania fal dźwiękowych i płomieni w komorze spalania silnika lotniczego, co może prowadzić do niebezpiecznych wibracji. W najgorszym przypadku wibracje te mogą zniszczyć silnik.
Nieszkodliwe i przydatne samooscylacje
Noiray wpadł na pomysł wykorzystania nieszkodliwych, samopodtrzymujących się oscylacji aeroakustycznych, aby fale dźwiękowe mogły przepływać tylko w jednym kierunku i bez żadnych strat, przez tak zwany cyrkulator. W jego schemacie nieuniknione tłumienie fal dźwiękowych jest kompensowane przez drgania własne w cyrkulatorze synchronizujące się z napływającymi falami, co pozwala im pozyskiwać energię z tych oscylacji. Sam cyrkulator miał składać się z wnęki w kształcie dysku, przez którą wirujące powietrze wdmuchiwane jest z jednej strony przez otwór w jego środku.
W przypadku określonej kombinacji prędkości nadmuchu i intensywności wiru we wnęce powstaje w ten sposób gwiżdżący dźwięk. „W przeciwieństwie do zwykłych gwizdków, w których dźwięk powstaje w wyniku fali stojącej we wnęce, w tym nowym gwizdku powstaje on w wyniku fali wirującej” – wyjaśnia Tiemo Pedergnana, były doktorant w grupie Noiray i główny autor badania.
Od pomysłu do eksperymentu minęło trochę czasu: najpierw Noiray i jego współpracownicy zbadali mechanikę płynów gwizdka z falą wirującą, a następnie dodali do niego trzy falowody akustyczne, które są ułożone w trójkątny kształt wzdłuż krawędzi szerzyciel. Fale dźwiękowe wprowadzane przez pierwszy falowód mogą opuścić cyrkulator przez drugi falowód. Jednakże fala wchodząca przez drugi falowód nie może wyjść „do tyłu” przez pierwszy falowód, ale może to zrobić przez trzeci falowód.
Praktyczne zastosowania i przyszłe implikacje
Przez kilka lat badacze ETH opracowywali i teoretycznie modelowali różne części cyrkulatora; teraz wreszcie mogli eksperymentalnie wykazać, że ich podejście polegające na kompensacji strat działa. Wysłali falę dźwiękową o częstotliwości około 800 herców (w przybliżeniu wysokie g sopranu) przez pierwszy falowód i zmierzyli, jak dobrze jest ona transmitowana do drugiego i trzeciego falowodu. Zgodnie z oczekiwaniami fala dźwiękowa nie dotarła do trzeciego falowodu. Z drugiego falowodu (w kierunku „do przodu”) wyłoniła się jednak fala dźwiękowa, która była jeszcze silniejsza niż ta, która została pierwotnie wysłana.
„Ta koncepcja niewzajemnej propagacji fal z kompensacją strat jest naszym zdaniem ważnym wynikiem, który można przenieść również na inne systemy” – mówi Noiray. Postrzega swój cyrkulator fal dźwiękowych głównie jako potężny model zabawkowy do ogólnego podejścia do manipulacji falami przy użyciu zsynchronizowanych samooscylacji, które można zastosować na przykład do metamateriały dla fal elektromagnetycznych. W ten sposób można by lepiej kierować mikrofalami w systemach radarowych i realizować tzw. obwody topologiczne, za pomocą których można by kierować sygnały w przyszłych systemach komunikacyjnych.
Odniesienie: „Niewzajemne rozpraszanie z kompensacją strat w oparciu o synchronizację” Tiemo Pedergnana, Abel Faure-Beaulieu, Romain Fleury i Nicolas Noiray, 28 sierpnia 2024 r., Komunikacja przyrodnicza.
DOI: 10.1038/s41467-024-51373-y
