Добавь сайт в закладки нажми CTRL+D
Исследователи из ETH Zürich (Швейцария) разработали устройство-циркулятор, которое использует самоподдерживающиеся колебания для распространения звуковых волн в одном направлении.
Читайте: Нейтринный рубеж – Как крошечные частицы могут ответить на большие вопросы о космосе
Немного о механике звуковых волн
Посиделки с музыкой на заднем плане или управление умной колонкой – это уже повседневные вещи, о которых редко кто задумывается. Что делает эти обыденные функции возможными – звуковые волны.
Звуковые волны передаются из одной точки в другую через среду, как воздух или вода, и помогают нам общаться, наслаждаться музыкой или даже предупреждать об опасности. Эти волны, классифицируемые как механические, и отличаются от электромагнитных, которые не требуют среды и могут проходить через вакуум.
Все волны обладают фундаментальным свойством, называемым взаимностью: волны распространяются симметрично, если поменять местами источник и приёмник. Например, если вы слышите кого-то в комнате на расстоянии, он также хорошо слышит вас. Это означает, что звуковые волны могут распространяться в обоих направлениях.
Взаимность может быть полезна в двунаправленных системах связи, но её нарушение или ограничение распространения волн в одном направлении может использоваться для блокирования нежелательных отражений сигнала и в этих системах.
Взаимная передача механических и электромагнитных волн изучалась и ранее, но сталкивалась с проблемами, связанными с потерей энергии при блокировании распространения волн в одном направлении.
Новое исследование, опубликованное в журнале Nature Communications, продемонстрировало невзаимную передачу звуковых волн – своего рода «улицу с односторонним движением». Автор исследования, профессор Николя Нуайе из ETH Zürich, рассказал немало интересного об этом.
Но, прежде чем погрузиться в результаты, давайте быстро вспомним основы волновой динамики.
Основы волновой динамики
Волны – это возмущения, которые переносят энергию из одной точки в другую без переноса частиц материи.
Вспомните рябь на воде, которая представляет собой движение энергии. Это относится к механическим волнам, как звук или водным, но не к электромагнитным волнам, как рентгеновские, ультрафиолетовые или гамма-лучи.
Чтобы понять проблемы с взаимностью, представьте себе трубу, открытую с обоих концов и соединённую с краном посередине. Как только вы включите кран, вода потечёт из обоих концов. Это становится проблемой, когда нужно, чтобы вода текла только в одном направлении.
«Достижение одностороннего распространения волн – проблема, представляющая фундаментальный интерес. Хотя она была достигнута с помощью резонансных полостей соответствующей конструкции, такие модели неизбежно страдали от потерь, ограничивающих амплитуду передаваемого в одну сторону сигнала» – объясняет Нойрей.
Исследовательская группа хотела разработать систему, в которой распространение волн усиливалось бы в одном направлении, но при этом исключалось бы распространение в другом направлении. Решение – Циркулятор.
Самоколебательные циркуляторы
Циркулятор – это устройство, используемое для направления волн в одном направлении, то есть они не взаимны.
Акустические циркуляторы имеют полости в форме диска и несколько портов (обычно три), что позволяет волнам входить в один порт и двигаться к следующему, работает циркулятор по принципу резонанса.
Внешний источник энергии генерирует акустическую или звуковую волну, которая проходит внутри циркулятора в определённом направлении. Падающая на один из портов волна с той же частотой, что и акустическая волна, приводит к резонансу. В этом состоянии падающая волна поглощает энергию акустической волны, что приводит к её усилению.
Кроме того, конструкция циркулятора не позволяет падающей волне распространяться двунаправленно. Поэтому в итоге мы получаем усиленную волну, движущуюся в одном направлении.
Хотя исследователи продемонстрировали этот метод ещё более десяти лет назад, опубликовав результаты в журнале Science, волны со временем теряют энергию в циркуляторе из-за взаимодействия с полостью. Кроме того, акустические волны не являются самоподдерживающимися, им требуется внешний источник энергии для поддержания резонанса.
Эти ограничения вдохновили профессора Нойрея на проведение параллелей с кольцевыми горелками, используемыми в реактивных двигателях и газовых турбинах, где звуковые волны и пламя взаимодействуют, создавая самоподдерживающиеся колебания.
«Ключевое различие в акустике этих двух систем в том, что в работе, опубликованной в Science, требуется внешнее воздействие, в то время как в случае с камерами сгорания они являются самоподдерживающимися. Я подумал, что потерю энергии, о которой говорится в статье, можно компенсировать, создав циркулятор с автоколебаниями, синхронизированными с приходящими волнами, что позволит последним получать энергию от этих колебаний» – заявил Нойрай.
Как уже говорилось, камеры сгорания могут создавать самоподдерживающиеся акустические волны, то есть им не требуется внешний источник энергии для их поддержания. Тепло, выделяемое в процессе горения, создаёт колебания давления в камере. Они создают акустические волны, которые постоянно взаимодействуют с теплом и поддерживают колебания, не требуя внешней энергии.
Конструкция трёхпортового циркуляра
Отталкиваясь от этого процесса, Нуайе и его команда разработали циркулятор, способный создавать самоподдерживающиеся колебания.
Конструкция циркулятора состоит из дискообразной полости с тремя портами, расположенными на равном расстоянии друг от друга. Каждый порт состоит из акустического волновода – устройства, которое направляет волны в полость и из неё.
Когда в циркулятор вдувается вихревой воздух определённой частоты и амплитуды, в полости возникает свист. Эта волна самоподдерживается, поскольку поток воздуха непрерывен. Когда звуковая волна с частотой, совпадающей с частотой акустических волн в полости, попадает на один из трёх портов, мы достигаем резонанса.
Падающая волна поглощает энергию акустической волны, усиливая её. Направление вращающейся волны не позволяет падающей волне двигаться в обратном направлении. Например, если звуковая волна входит через первый порт, она может выйти только через второй порт. И звуковая волна, вошедшая во второй порт, не может выйти из первого, двигаясь в обратном направлении.
Таким образом, предотвращается обратное распространение падающей волны. Поглощая энергию свистящих звуковых волн, падающая волна усиливается в прямом направлении. «В отличие от обычных свистков и духовых инструментов, в которых звук создаётся стоячей волной в полости, этот новый свисток – результат вращающейся волны».
Прототип циркулятора для электромагнитных волн
Исследователи протестировали свой метод компенсации потерь, послав звуковую волну с частотой 800 Герц, что близко к высокому G сопрано.
Волна была отправлена через первый порт и не достигла третьего, как ожидалось, а из второго порта вырвалась звуковая волна, которая была намного громче той, что была отправлена туда изначально.
Говоря о потенциальном применении этого подхода к компенсации потерь, Нойрей заявил: «На практике, когда подключается несколько систем односторонней передачи, чистые потери накапливаются, препятствуя достижению достаточного отношения сигнал/шум в конечном порту. Именно поэтому компенсация внутренних потерь в нашей концепции может открыть новые возможности для эффективной передачи полезных сигналов по каналам с несколькими односторонними передатчиками».
Нойрей и его команда использовали звуковые волны для демонстрации одностороннего распространения волн и считают, что это может послужить прототипом для манипуляции волнами, распространяющейся на другие системы. Метод можно распространить на электромагнитные волны, чтобы улучшить радарные и телекоммуникационные системы и предотвратить нежелательные отражения и потери сигнала.
«Я рассматриваю наш циркулятор звуковых волн в основном как игрушечную модель для общего подхода к манипулированию волнами с помощью синхронизированных автоколебаний. Следующий шаг – применить этот подход к метаматериалам для электромагнитных волн».
Инженеры создают метаматериалы, которые проявляют экзотические свойства, не встречающиеся в природных материалах. Такие материалы позволяют манипулировать электромагнитными волнами необычным образом, открывая новые возможности.
«Таким образом, микроволны в радарных системах могут направляться лучше, и быть реализованы так называемые топологические схемы, с помощью которых сигналы могут направляться в будущих системах связи» – заключил Нойрей.
Разработанная исследователями технология с односторонним движением звуковых волн предлагает решение давней проблемы в этой области, выступая в качестве прототипа для других областей.
Поделись видео: