無論是水波、光波或聲波：波的向前傳播方式通常與向後傳播方式相同。因此，當我們與站在遠處的人說話時，祂能聽到我們的聲音，我們也能聽到祂的聲音。這在交談時很有用，但在某些技術應用中，人們更希望波只能朝一個方向傳播–例如，為了避免光或微波產生不必要的反射。

在ETH 實驗中，自振盪（藍-紅）導致聲波（綠、橙、紫）只能單向穿過循環器。資料來源：鄒昕

聲波控制領域的突破

對於聲波，十年前研究人員成功地抑制了其向後的傳播，但這也削弱了向前傳播的聲波。現在，蘇黎世聯邦理工學院燃燒、聲學和流動物理學教授尼古拉斯-諾伊雷（Nicolas Noiray）領導的研究小組與洛桑聯邦理工學院的羅曼-弗勒里（Romain Fleury）合作，開發出了一種既能防止聲波向後傳播，又不會影響聲波向前傳播的方法。

這種方法最近發表在科學期刊《自然-通訊》上，未來也可應用於電磁波。

自振蕩的創新應用

自振盪是聲波單向傳播的基礎，在自振盪中，動態系統會週期性地重複自己的行為。諾伊雷說：”實際上，我職業生涯的大部分時間都在防止這種現象的發生。”

除此之外，他還研究飛機引擎燃燒室中聲波和火焰之間的相互作用如何產生自持熱聲振盪，從而導致危險的振動。在最糟糕的情況下，這些振動會摧毀引擎。

實驗裝置示意圖（左）及波傳播示意圖（右）。圖片來源：Nicolas Noiray / 蘇黎世聯邦理工學院

無害而有用的自振盪

Noiray 的想法是利用無害的自持氣聲振盪，讓聲波通過一個所謂的環行器，只向一個方向傳遞，而不產生任何損耗。在他的方案中，聲波不可避免的衰減可以透過循環器中與傳入聲波同步的自振來補償，從而使聲波從這些振盪中獲得能量。循環器本身應該由一個圓盤形的空腔組成，漩渦狀的空氣從一側通過空腔中心的開口吹入空腔。

在特定的吹氣速度和漩渦強度組合下，空腔中就會產生哨聲。諾伊雷研究小組的前博士生、本研究的第一作者蒂莫-佩德格納納（Tiemo Pedergnana）解釋說：”普通口哨的聲音是由空腔中的駐波產生的，而這種新型口哨的聲音則是由旋轉波產生的。

從構思到實驗需要一段時間：首先，諾伊雷和他的同事研究了旋轉波哨子的流體力學，然後在上面添加了三個聲波導管，沿著循環器的邊緣呈三角形排列。透過第一根波導進入的聲波可以經由第二根波導離開循環器。但是，從第二根波導管進入的聲波不能從第一根波導管”逆向”流出，但可以從第三根波導管流出。

實際應用和未來影響

幾年來，ETH 的研究人員開發了環行器的各個部分，並對其進行了理論建模；現在，他們終於可以透過實驗證明他們的損耗補償方法是有效的。他們將頻率約為800 赫茲（約為女高音的高音g）的聲波通過第一波導，並測量了聲波傳輸到第二和第三波導的效果。不出所料，聲波沒有到達第三波導。然而，從第二個波導（”前進”方向）發出的聲波比最初發出的聲波更強。

諾伊雷說：”在我們看來，這種損耗補償的非互易波傳播概念是一項重要成果，也可應用於其他系統。”他認為他的聲波環行器主要是一個強大的玩具模型，可用於利用同步自振盪進行波操縱的一般方法，例如可用於電磁波的超材料。透過這種方式，雷達系統中的微波可以得到更好的引導，所謂的拓樸電路也可以實現，未來的通訊系統可以利用這種電路來路由訊號。

編譯自/ ScitechDaily

DOI: 10.1038/s41467-024-51373-y