科學突破 開創性單向聲音傳播

 ETH 實驗中,自振盪(藍-紅)導致聲波(綠、橙、紫)僅沿一個方向穿過循環器。圖片來源:鄒鑫

研究人員創造了一種技術,使聲波只能向前傳播,消除了向後傳播而沒有損失。該系統基於自振盪機制,可顯著增強各種技術中的電磁波管理。

  • 聲波和其他波通常向前和向後同樣傳播。
  • 研究人員現已開發出一種方法,可以防止聲波向後傳播,同時又不會破壞聲波向前的傳播。
  • 將來,這種方法也可以應用於電磁波,例如雷達技術。日常通訊中的波傳播

無論是水、光或聲音:波通常以相同的方式向前和向後傳播。因此,當我們與站在我們一定距離的人說話時,那個人可以聽到我們的聲音,我們也可以聽到他們的聲音。這在交談時很有用,但在某些技術應用中,人們希望波只能沿著一個方向傳播,例如,為了避免不必要的光或微波反射。

聲波控制的突破

對於聲波,十年前研究人員成功抑制了聲瑞典 電話號碼庫 波的反向傳播;然而,這也減弱了向前傳播的波浪。蘇黎世聯邦理工學院燃燒、聲學和流動物理學教授尼古拉斯·諾伊雷(Nicolas Noiray) 領導的研究小組與洛桑聯邦理工學院(EPFL) 的羅曼·弗勒里(Romain Fleury) 合作,現已開發出一種方法,可防止聲波向後傳播,而不影響其向前傳播。

上的這種方法將來也可以應用於電磁波。自振蕩的創新運用

這種聲波單向街道的基礎是自振盪,其中動力系統週期性地重複其行為。 「實際上,我職業生涯的大部分時間都在防止此類現象的發生,」諾伊雷說。

除此之外,他研究了飛機引擎燃燒室中聲波和火焰之間的相互作用如何產生自持熱聲振盪,這可能導致危險的振動。在最壞的情況下,這些振動可能會損壞引擎。

實驗裝置(左)和波傳播(右)的示意圖。圖片來源:Nicolas Noiray / 蘇黎世聯邦理工學院

無害且有用的自振盪

電話號碼庫

諾伊雷的想法是利用無害的自持氣動聲學 遠比馬丘比丘古老 振盪,使聲波僅沿一個方向傳播,並且通過所謂的循環器而不會造成任何損失。在他的方案中,聲波不可避免的衰減透過與傳入波同步的循環器中的自振盪來補償,這使得它們能夠從這些振盪中獲得能量。循環器本身由一個盤形空腔組成,旋轉空氣從一側通過其中心的開口吹入。

對於吹風速度和渦流強度的特定組合,因此在腔中產生哨聲。 「普通口哨的聲音是由空腔中的駐波產生的,而這種新口哨的聲音是由旋轉波產生的”,Noiray 團隊的前博士生、該研究的主要作者 Tiemo Pedergnana 解釋道。

從想法到實驗花了一段時間:首先,Noiray 和他的同事研究了旋轉波哨的流體力學,然後在其中添加了三個聲波導,這些波導沿著波哨的邊緣排列成三角形。透過第一波導饋入的聲波可以透過第二波導離開循環器。然而,經由第二波導進入的波不能透過第一波導「向後」退出,但可以透過第三波導退出。

實際應用和未來影響

多年來,蘇黎世聯邦理工學院的研究人員 細胞數據 開發了循環器的各個部分並對其進行了理論上的建模。現在,他們終於可以透過實驗證明他們的損失補償方法是有效的。他們透過第一個波導發送頻率約為 800 赫茲(大約是女高音的高 g)的聲波,並測量其傳輸到第二和第三波導的情況。如所料,聲波並沒有到達第三個波導。然而,從第二個波導(“向前”方向)中出現了比最初發送的聲波更強的聲波。

「我們認為,損耗補償非互易波傳播的概念是一個重要的結果,也可以轉移到其他系統,」諾伊雷說。他認為他的聲波循環器主要是一個強大的玩具模型,用於使用同步自振盪進行波操縱的一般方法,例如,可以應用於電磁波的。透過這種方式,可以更好地引導雷達系統中的微波,並可以實現所謂的拓撲電路,從而可以在未來的通訊系統中路由訊號。

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