苏黎世联邦理工学院的研究团队成功实现了声波单向传播的技术。这一方法在未来可能会拓展到电磁波相关的技术应用中。
简要概述
- 声波及其他波通常是双向传播的。
- 研究人员开发了一种新方法，能够阻止声波反向传播，同时保持其向前传播的能力。
- 未来，这种技术也可能应用于电磁波，如雷达技术。
无论是水、光还是声音，波通常是双向传播的。因此，当我们与远处的人交谈时，双方都能听到对方的声音。这在日常交流中非常有用，但在某些技术应用中，单向传播的需求更为迫切——例如，避免不必要的光或微波反射。
十年前，研究人员成功抑制了声波的反向传播，但这也影响了其向前传播。由燃烧、声学和流动物理学教授Nicolas Noiray领导的研究小组，与EPFL的Romain Fleury合作，开发出一种新方法，能够阻止声波反向传播而不影响其向前传播。这项研究成果最近发表在《自然通讯》期刊上。
声波单向传播的原理基于自振荡，动力系统周期性地重复其行为。“实际上，我的职业生涯大部分时间都在研究如何防止这种现象，”诺瓦雷表示。他还研究了飞机发动机燃烧室中声波与火焰之间的相互作用，如何导致自我维持的热声振荡，这可能会引发危险的振动，甚至损坏发动机。
无害且有效的自振荡
Noiray的构想是利用无害的自我维持气动声学振荡，使声波仅在一个方向上传播，并且没有能量损失，借助所谓的循环器。在他的设计中，声波的衰减通过与入射波同步的自振荡来补偿，从而使声波能够从这些振荡中获取能量。循环器本身由一个圆盘状腔体构成，旋转的空气从一侧吹过中心开口。特定的吹风速度和涡流强度组合会在腔内产生呼啸声。Noiray小组的前博士生、该研究的主要作者Tiemo Pedergnana解释道：“与普通哨子不同，普通哨子的声音是由腔内的驻波产生的，而这种新型哨子的声音是由旋转波产生的。”
从构想到实验经历了一段时间：首先，Noiray和他的同事研究了旋转波哨子的流体力学，然后在其上添加了三个声波波导，呈三角形排列在循环器的边缘。通过第一个波导输入的声波可以通过第二个波导离开循环器。然而，通过第二个波导进入的波不能“向后”通过第一个波导退出，但可以通过第三个波导退出。
声波作为实验模型
多年来，ETH的研究人员开发了循环器的各个组件，并进行了理论建模；现在，他们终于通过实验验证了损耗补偿方法的有效性。他们通过第一个波导发送频率约为800赫兹（大约是女高音的高g）的声波，并测量其在第二个和第三个波导中的传输情况。正如预期，声波未能到达第三个波导。然而，从第二个波导（“向前”方向）中，出现了一个比最初发送的声波更强的声波。
“在我们看来，这种损耗补偿非互反波传播的概念是一个重要的成果，能够转移到其他系统中，”Noiray表示。他认为他的声波循环器主要是一个强大的实验模型，用于利用同步自振荡来操纵波的一般方法，例如，可以应用于电磁波的超材料。通过这种方式，可以更好地引导雷达系统中的微波，并实现所谓的拓扑电路，从而在未来的通信系统中路由信号。
参考文献
李建军，李建军，李建军等。基于同步的损耗补偿非互易散射。自然通讯15,7436(2024)。Doi: external page10.1038/s41467-024-51373-y
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希望本篇文章《声波的单行道》能对你有所帮助！
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