Talking ScienceΕρευνητές στο ETH Zurich κατάφεραν να κάνουν τα ηχητικά κύματα να ταξιδεύουν μόνο προς μία κατεύθυνση. Στο μέλλον, αυτή η μέθοδος θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί και σε τεχνικές εφαρμογές με ηλεκτρομαγνητικά κύματα.
Εν συντομία
- Ο ήχος και άλλα κύματα συνήθως διαδίδονται εξίσου προς τα εμπρός και προς τα πίσω.
- Οι ερευνητές έχουν τώρα αναπτύξει μια μέθοδο που εμποδίζει τα ηχητικά κύματα να ταξιδεύουν προς τα πίσω χωρίς να επιδεινώνεται η διάδοσή τους προς τα εμπρός.
- Στο μέλλον, αυτή η μέθοδος θα μπορούσε να εφαρμοστεί και σε ηλεκτρομαγνητικά κύματα, για παράδειγμα στην τεχνολογία ραντάρ.
Είτε πρόκειται για νερό, φως ή ήχο: τα κύματα συνήθως διαδίδονται με τον ίδιο τρόπο προς τα εμπρός όπως και προς την πίσω κατεύθυνση. Κατά συνέπεια, όταν μιλάμε σε κάποιον που στέκεται σε κάποια απόσταση από εμάς, αυτό το άτομο μπορεί να μας ακούσει όσο και εμείς μπορούμε να τον ακούσουμε. Αυτό είναι χρήσιμο κατά τη συνομιλία, αλλά σε ορισμένες τεχνικές εφαρμογές κάποιος θα προτιμούσε τα κύματα να μπορούν να ταξιδεύουν μόνο προς μία κατεύθυνση – για παράδειγμα, προκειμένου να αποφευχθούν ανεπιθύμητες αντανακλάσεις φωτός ή μικροκυμάτων.
Για τα ηχητικά κύματα, πριν από δέκα χρόνια, οι ερευνητές κατάφεραν να καταστείλουν τη διάδοσή τους προς τα πίσω. Ωστόσο, αυτό εξασθένησε επίσης τα κύματα που ταξιδεύουν προς τα εμπρός. Μια ομάδα ερευνητών στο ETH Ζυρίχης με επικεφαλής τον Nicolas Noiray, καθηγητή Καύσης, Ακουστικής και Φυσικής Ροής, σε συνεργασία με τον Romain Fleury στο EPFL, ανέπτυξαν τώρα μια μέθοδο για την αποτροπή των ηχητικών κυμάτων από το να ταξιδεύουν προς τα πίσω χωρίς να επιδεινώνεται η διάδοσή τους προς τα εμπρός. Στο μέλλον, αυτή η μέθοδος, η οποία δημοσιεύτηκε πρόσφατα στο επιστημονικό περιοδικό εξωτερική σελίδαNature Communications, θα μπορούσε να εφαρμοστεί και σε ηλεκτρομαγνητικά κύματα.
Η βάση αυτού του μονόδρομου για τα ηχητικά κύματα είναι οι αυτοταλαντώσεις, στις οποίες ένα δυναμικό σύστημα επαναλαμβάνει περιοδικά τη συμπεριφορά του. «Έχω περάσει ένα μεγάλο μέρος της καριέρας μου αποτρέποντας τέτοια φαινόμενα», λέει ο Noiray. Μεταξύ άλλων, μελετά πώς μπορούν να προκύψουν αυτοσυντηρούμενες θερμοακουστικές ταλαντώσεις από την αλληλεπίδραση μεταξύ ηχητικών κυμάτων και φλόγων στον θάλαμο καύσης ενός κινητήρα αεροσκάφους, που μπορεί να οδηγήσουν σε επικίνδυνους κραδασμούς. Στη χειρότερη περίπτωση, αυτοί οι κραδασμοί μπορούν να καταστρέψουν τον κινητήρα.r που παράγουν έως και εβδομήντα τοις εκατό περισσότερη κυτταρίνη από ό,τι στην αρχική τους μορφή.
Αβλαβείς και χρήσιμες αυτοταλαντώσεις
Ο Noiray είχε την ιδέα να χρησιμοποιήσει ακίνδυνες αυτοσυντηρούμενες αερο-ακουστικές ταλαντώσεις για να επιτρέψει στα ηχητικά κύματα να περάσουν μόνο προς μία κατεύθυνση και χωρίς απώλειες μέσω ενός λεγόμενου κυκλοφορητή. Στο σχήμα του, η αναπόφευκτη εξασθένηση των ηχητικών κυμάτων αντισταθμίζεται από τις αυτοταλαντώσεις στον κυκλοφορητή που συγχρονίζονται με τα εισερχόμενα κύματα, γεγονός που τους επιτρέπει να κερδίζουν ενέργεια από αυτές τις ταλαντώσεις. Ο ίδιος ο κυκλοφορητής υποτίθεται ότι αποτελείται από μια κοιλότητα σε σχήμα δίσκου μέσω της οποίας διοχετεύεται στροβιλιζόμενος αέρας από τη μία πλευρά μέσω ενός ανοίγματος στο κέντρο του. Για έναν συγκεκριμένο συνδυασμό ταχύτητας και έντασης του στροβιλισμού, δημιουργείται ένα σφύριγμα στην κοιλότητα. «Σε αντίθεση με τα συνηθισμένα σφυρίγματα, στα οποία ο ήχος δημιουργείται από ένα στάσιμο κύμα στην κοιλότητα, σε αυτό το νέο σφύριγμα προκύπτει από ένα περιστρεφόμενο κύμα», εξηγεί ο Tiemo Pedergnana, πρώην διδακτορικός φοιτητής στην ομάδα του Noiray και επικεφαλής συγγραφέας της μελέτης.
Από την ιδέα μέχρι το πείραμα χρειάστηκε λίγος χρόνος: Πρώτα, ο Noiray και οι συνεργάτες του ερεύνησαν τη μηχανική των ρευστών του σφυρίχτη του περιστρεφόμενου κύματος και στη συνέχεια πρόσθεσαν τρεις ακουστικούς κυματοδηγούς σε αυτό, οι οποίοι είναι διατεταγμένοι σε τριγωνικό σχήμα κατά μήκος της άκρης του κυκλοφορών. Τα ηχητικά κύματα που τροφοδοτούνται μέσω του πρώτου κυματοδηγού μπορούν να φύγουν από τον κυκλοφορητή μέσω του δεύτερου κυματοδηγού. Ωστόσο, ένα κύμα που εισέρχεται μέσω του δεύτερου κυματοδηγού δεν μπορεί να βγει «προς τα πίσω» μέσω του πρώτου κυματοδηγού, αλλά μπορεί να το κάνει μέσω του τρίτου κυματοδηγού.
Ηχητικά κύματα ως μοντέλο παιχνιδιού
Για αρκετά χρόνια, οι ερευνητές του ETH ανέπτυξαν και μοντελοποίησαν θεωρητικά τα διάφορα μέρη του κυκλοφορητή. Τώρα, επιτέλους, θα μπορούσαν να αποδείξουν πειραματικά ότι η προσέγγισή τους για αποζημίωση ζημιών λειτουργεί. Έστειλαν ένα ηχητικό κύμα με συχνότητα περίπου 800 Hertz (περίπου το υψηλό g μιας σοπράνο) μέσω του πρώτου κυματοδηγού και μέτρησαν πόσο καλά μεταδόθηκε στον δεύτερο και τον τρίτο κυματοδηγό. Όπως ήταν αναμενόμενο, το ηχητικό κύμα δεν έφτασε στον τρίτο κυματοδηγό. Από τον δεύτερο κυματοδηγό (στην κατεύθυνση «εμπρός»), ωστόσο, προέκυψε ένα ηχητικό κύμα που ήταν ακόμη ισχυρότερο από αυτό που είχε αρχικά σταλεί.
«Αυτή η έννοια της μη αμοιβαίας διάδοσης κυμάτων με αντιστάθμιση απωλειών είναι, κατά την άποψή μας, ένα σημαντικό αποτέλεσμα που μπορεί επίσης να μεταφερθεί σε άλλα συστήματα», λέει ο Noiray. Βλέπει τον κυκλοφορητή ηχητικών κυμάτων του κυρίως ως ένα ισχυρό μοντέλο παιχνιδιού για τη γενική προσέγγιση χειρισμού κυμάτων χρησιμοποιώντας συγχρονισμένες αυτοταλαντώσεις που μπορούν, για παράδειγμα, να εφαρμοστούν σε μεταϋλικά για ηλεκτρομαγνητικά κύματα. Με αυτόν τον τρόπο, τα μικροκύματα στα συστήματα ραντάρ θα μπορούσαν να καθοδηγηθούν καλύτερα και θα μπορούσαν να πραγματοποιηθούν τα λεγόμενα τοπολογικά κυκλώματα, με τα οποία μπορούν να δρομολογηθούν σήματα σε μελλοντικά συστήματα επικοινωνιών.
Aναδημοσίευση άρθρου του Oliver Morsch 06.09.2024 στο ETH Zurich News. Link to original article >
Πηγή:
Pedergnana T, Faure-Beaulieu A, Fleury R, Noiray N: Loss-compensated non-reciprocal scattering based on synchronization. Nature Communications 15, 7436 (2024). doi: 10.1038/s41467-024-51373-y
