Швейцарские исследователи совершили прорыв в акустике, создав уникальный свисток с «вращающейся волной». Это устройство позволяет звуковым волнам распространяться строго в одном направлении, преодолевая фундаментальное физическое ограничение. В отличие от обычных звуковых волн, которые движутся симметрично вперед и назад, новая система использует аэроакустический автогенератор для однонаправленной передачи без ослабления сигнала. Принципы этой технологии применимы и к электромагнитным волнам, что открывает перспективы для множества инноваций.
В природе волны — будь то акустические, электромагнитные или механические — обычно подчиняются принципу взаимности, или «перекрестного распространения». Это означает, что волна распространяется одинаково в обоих направлениях между источником и приемником. Яркий пример — обычный разговор: два человека слышат друг друга с одинаковой четкостью, независимо от того, кто говорит. Хотя эта симметрия лежит в основе многих повседневных явлений, ее преодоление представляет огромный интерес для науки и техники.
Одностороннее распространение волн позволяет устранить такие проблемы, как нежелательные отражения (реверберация) и интерференционные помехи, что критически важно для точных экспериментов и высокочувствительного оборудования. Подобные невзаимные системы уже изучались для электромагнитных и механических волн, однако с акустикой возникали сложности. Предыдущие попытки создать односторонний звуковой канал, например, с помощью резонансных полостей и потока воздуха, сталкивались с неизбежной потерей интенсивности звука при его распространении.
Исследовательская группа из ETH Zürich и Федеральной политехнической школы Лозанны (EPFL) предложила инновационное решение этой проблемы, разработав систему, которая не только направляет звук в одну сторону, но и активно компенсирует его затухание.
Система автоколебаний: компенсация потерь в реальном времени
Ключом к успеху стала разработка аэроакустического автоколебательного устройства. В его основе лежат принципы синхронизации, позволяющие динамической системе поддерживать периодические колебания. «Значительную часть своей карьеры я посвятил изучению подобных нелинейных явлений», — отмечает соавтор работы Николас Нойер. Устройство представляет собой циркулятор, в котором неизбежное рассеяние звуковой волны компенсируется за счет автоколебаний самой системы. Эти колебания синхронизируются с входящей волной, подпитывая ее энергией и предотвращая ослабление, фактически усиливая сигнал.
Сердцем системы является полый диск, в центр которого подается закрученный (вихревой) поток воздуха. При определенной скорости и интенсивности этого вихря возникает свист. «Если в обычном свистке звук рождается стоячими волнами в полости, то здесь он создается волнами, которые вращаются внутри диска», — поясняет ведущий автор исследования Тьемо Педерньяна из ETH Zurich. Именно эти «вращающиеся волны» и дали название всему устройству.
Для управления направлением звука к диску-свистку были добавлены три акустических «волновода» — изолирующих канала треугольной формы, расположенных по краю циркулятора. Они работают как интеллектуальный звуковой маршрутизатор: волна, вошедшая в первый волновод, может пройти через циркулятор во второй, но не может вернуться обратно. Звук из второго волновода может быть перенаправлен только в третий. Это создает эффективный однонаправленный акустический клапан.
Обратите внимание: MIT и IBM хотят изменить наш мир с помощью искусственного интеллекта.
Усиление сигнала вместо его затухания
В ходе испытаний, описанных в журнале Nature Communications, ученые генерировали звуковые волны частотой около 800 Гц (нота соль высокой октавы сопрано) и анализировали их прохождение через систему. Результаты были впечатляющими: волна, поступающая в первый волновод, надежно достигала второго, полностью минуя третий. Более того, вместо ожидаемого затухания звук не только сохранял исходную интенсивность, но и значительно усиливался благодаря механизму автоколебаний в циркуляторе.
«Концепция невзаимного распространения волн с компенсацией потерь — это фундаментальный результат, который можно перенести на другие физические системы», — подчеркивает Николас Нойер. Устройство служит прототипом для управления взаимностью волн различной природы. В перспективе подобные принципы могут быть использованы в метаматериалах для управления электромагнитными волнами, что приведет к созданию более эффективных радаров с точно направленным микроволновым излучением или к разработке защищенных каналов связи с минимальными помехами.
Больше интересных статей здесь: Новости науки и техники.
Источник статьи: С помощью нового типа свистка, известного как свисток с «вращающейся волной», ученым удалось распространять звуковые волны в одном направлении.