研究人员使声波只向一个方向传播，对电磁波技术有影响

Josiah02 · 发表于 2024-9-9 18:34:32

苏黎世联邦理工学院的研究人员成功让声波只朝一个方向传播。未来，这种方法还可以用于电磁波的技术应用。
水波、光波和声波通常以相同的方式向前和向后传播。因此，当我们与站在远处的人交谈时，对方可以听到我们的声音，就像我们能听到对方的声音一样。这在交谈时很有用，但在某些技术应用中，人们希望波只能沿一个方向传播——例如，为了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在后向传播；然而，这也减弱了向前传播的波。
苏黎世联邦理工学院燃烧、声学和流动物理学教授 Nicolas Noiray 领导的研究小组与洛桑联邦理工学院的 Romain Fleury 合作，现已开发出一种方法，可以防止声波向后传播，而不会损害其向前传播的速度。
未来，这种最近发表在《自然通讯》上的方法也可以应用于电磁波。
这种声波单行道的基础是自激振荡，其中动态系统周期性地重复其行为。“实际上，我职业生涯的大部分时间都在防止这种现象，”Noiray 说道。
除此之外，他还研究了航空发动机燃烧室内的声波和火焰相互作用如何产生自持热声振荡，这种振荡可能导致危险的振动。在最坏的情况下，这些振动可能会摧毁发动机。
无害且有用的自激振荡
Noiray 的想法是利用无害的自持气动声学振荡，使声波只沿一个方向传播，而不会通过所谓的循环器造成任何损失。在他的方案中，声波不可避免的衰减通过与入射波同步的循环器自振荡来补偿，从而使入射波能够从这些振荡中获得能量。
循环器本身由一个圆盘状的空腔组成，旋转的空气从空腔的一侧通过中心的开口吹入。对于特定的吹气速度和旋涡强度的组合，空腔中会产生哨声。
“普通哨子的声音是由腔体内的驻波产生的，而这种新型哨子的声音则是由旋转波产生的，”Noiray 研究小组的前博士生、这项研究的主要作者 Tiemo Pedergnana 解释道。
从构思到实验，花了不少时间。首先，Noiray 和他的同事研究了旋转波哨的流体力学，然后为其添加了三个声波导管，它们沿着循环器的边缘呈三角形排列。
通过第一波导输入的声波可以通过第二波导离开循环器。但是，通过第二波导输入的波不能通过第一波导“向后”输出，但可以通过第三波导输出。
声波作为玩具模型
经过数年时间，ETH 的研究人员开发并理论建模了循环器的各个部分；现在，他们终于可以通过实验证明他们的损耗补偿方法是有效的。他们通过第一个波导发送了频率约为 800 赫兹（大约是女高音的高音）的声波，并测量了声波传输到第二个和第三个波导的情况。
正如预期的那样，声波没有到达第三个波导。然而，从第二个波导（在“向前”方向），出现了一个比最初发送的声波更强的声波。
Noiray 表示：“我们认为，这种损耗补偿非互易波传播的概念是一项重要成果，它也可以转移到其他系统中。”他主要将自己的声波循环器视为一种强大的玩具模型，用于使用同步自激振荡进行波操纵的一般方法，例如，可以应用于电磁波的超材料。
这样，雷达系统中的微波就可以得到更好的引导，并可以实现所谓的拓扑电路，从而可以在未来的通信系统中对信号进行路由。

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