Звуковые волны, как известно, распространяются во всех направлениях. Это естественное свойство может быть нежелательным, когда отражения вызывают помехи или снижают эффективность. Исследователи из ETH Zurich разработали метод, позволяющий направлять звуковые волны только в одну сторону. Это новшество имеет потенциал применения в различных областях, включая радиолокационные технологии.

Группа исследователей под руководством профессора Николаса Нуарея, в сотрудничестве с Роменом Флери из EPFL, выяснила, как предотвратить движение звуковых волн назад, не ослабляя их распространение вперёд. В основе этого прорыва лежит циркулятор — устройство, использующее самоподдерживающиеся аэроакустические колебания.

Циркулятор представляет собой дискообразную полость, через которую продувается закрученный поток воздуха. При определённой скорости и интенсивности завихрения в полости создается свистящий звук, обусловленный не стоячей, а вращающейся волной. «В отличие от обычных свистков, в которых звук создается стоячей волной в полости, в этом новом свистке он возникает в результате вращающейся волны», — пояснил Тьемо Педерньяна, ведущий автор исследования.

Циркулятор имеет три акустических волновода, расположенных в виде треугольника. Звуковые волны, входящие в первый волновод, могут выйти через второй или третий, но не могут вернуться обратно. Ключевым компонентом является компенсация затухания звуковых волн. Самоколебания в циркуляторе синхронизируются с входящими волнами, позволяя им получать энергию и поддерживать свою интенсивность.

Для проверки своей разработки исследователи провели эксперименты с звуковыми волнами частотой около 800 Гц. Они измерили, насколько хорошо звук передавался между волноводами, и обнаружили, что волны не достигали третьего волновода, а выходили из второго даже сильнее, чем на входе.

Хотя текущий прототип служит лишь доказательством концепции для звуковых волн, команда полагает, что их метод может найти применение и в других областях, например, в метаматериалах для электромагнитных волн. Это исследование может привести к прогрессу в радиолокационных технологиях, где важен точный контроль над распространением микроволн. Кроме того, эта техника может открыть путь к разработке топологических схем, улучшающих маршрутизацию сигналов в системах связи. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Communications.