Создано первое устройство для однонаправленного распространения звука

Компьютерная иллюстрация однонаправленного акустического циркулятора

(иллюстрация University of Texas Austin).

Однонаправленный акустический циркулятор Алу и его коллег поместили на обложку журнала Science

(иллюстрация Erik Zumalt, Cockrell School of Engineering, UT Austin).

Физик из Техасского университета в Остине Андреа Алу (Andrea Alù), ранее известный по своим исследованиям "шапок-невидимок", создал ещё одно удивительное концептуальное устройство. Оно позволяет звуковым волнам распространяться только в одном направлении, то есть, к примеру, оставлять слушателя незаметным для говорящего — и добиться такого эффекта было непросто.

Так называемый односторонний циркулятор для звуковых волн демонстрирует, что фундаментальную симметрию, с которой акустические волны распространяются через воздух между двумя точками в пространстве, можно нарушить в одном компактном и простом устройстве. Оказывается, звуковые волны распространяются в среде в обе стороны далеко не везде.

Однонаправленный акустический циркулятор Алу и его коллег поместили на обложку журнала Science
Однонаправленный акустический циркулятор Алу и его коллег поместили на обложку журнала Science
(иллюстрация Erik Zumalt, Cockrell School of Engineering, UT Austin).

Ограничить или наоборот, облегчить движение световых или звуковых волн в каком-то определённом направлении не так просто, как кажется. Обычно сложности возникают из-за теоремы взаимности, которая утверждает симметричную передачу волн между двумя точками в пространстве: независимо от направления, в котором они распространяются, идентичные волны, проходящие через одну и ту же среду, должны вести себя одинаковым образом.

Чтобы создать однонаправленный циркулятор для звука или света, необходимо каким-то образом обойти вышеупомянутую теорему. Для этого можно было бы добыть нечто вроде одностороннего зеркала, одна беда — их не существует. Зеркальный эффект с одной стороны и иллюзия прозрачности с другой обусловлены исключительно разной освещённостью по сторонам зеркала, однако часть световых волн сквозь него всё же проходит в обоих направлениях, а значит, принцип взаимности нельзя считать нарушенным.

Устройство, которое создали Алу и его коллеги, основано на принципе работы обычного электронного циркулятора, используемого в радарах и приборах связи. Свой циркулятор разработчики назвали "невзаимным устройством с тремя портами", как бы обыгрывая название теоремы взаимности. В нём микроволны и радиосигналы передаются от одного порта к другому в определённой последовательности. Если один из портов не используется, циркулятор начинает действовать как изолятор, позволяя сигналам проходить от одного порта к другому, но не вобратном направлении.

Компьютерная иллюстрация однонаправленного акустического циркулятора
Компьютерная иллюстрация однонаправленного акустического циркулятора
(иллюстрация University of Texas Austin).

В ходе эксперимента физики использовали три небольших компьютерных кулера для обеспечения циркуляции воздуха при определённой скорости в акустической кольцеобразной резонирующей полости. Это кольцо подключили к трём портам циркулятора и микрофонам на конце каждого порта.

Учёные начали передавать звуковой сигнал от первого порта. Когда кулеры были выключены, звук разделился симметрично между двумя другими принимающими портами, как и ожидалось. Но когда вентиляторы включили, и по кольцу пошёл умеренный воздушный поток, симметрия распространения была нарушена: сигнал вышел из одного порта, попал в другой, а третий остался полностью изолирован от происходящего.

"Когда мы ставили наш эксперимент, звуковые сигналы шли по кругу — от первого порта ко второму, от второго к третьему, от третьего к первому, но не в обратном направлении. Таким образом мы создали одностороннюю связь для звуковых волн, проходящих через одну и ту же среду, — рассказывает Алу в пресс-релизе. — Только представьте, вы можете прослушивать, что происходит, не будучи при этом самим услышанным".

Конечно же, разработанная Алу и его коллегами технология, может очень пригодиться в военном деле, однако это не единственная область применения. Односторонний акустический циркулятор можно использовать и для медицинского ультразвукового сканирования тела, а также для многих других целей.

Согласно отчёту, опубликованному физиками в журнале Science, устройство работает с акустическими волнами до 40 децибелов. Алу сообщает, что основной секрет устройства кроется в дизайне резонирующей полости и правильном потоке воздуха. Проще говоря, учёные обнаружили, что при правильной скорости движения воздуха и верной конструкции кольца круговое движение звуковых сигналов заканчивается разделением резонансных мод и возникновением невзаимности за счёт интерференции мод.

Также по теме:
Швейцарские физики освоили перемещение объектов звуком
Учёные создали прозрачный динамик из листа графена
Физики закрутили свет в спирали
Физики научились завязывать воду в узлы
Свет удалось полностью остановить на целую минуту