O nouă evoluție a ghidării undelor sonore de-a lungul unui traseu cu sens unic

O serie de plăci rotative în miniatură ar putea oferi o nouă modalitate puternică de a controla fluxul sunetului.

Dispozitivul propus, raportat în 20 martie Scrisori de revizuire fizică, ar canaliza undele sonore pe o arteră protejată cu sens unic de-a lungul marginii sale. Structura este o versiune acustică a unei clase de materiale foarte cercetate numite izolatori topologici. După cum sugerează și numele, aceste materiale sunt în primul rând izolatoare, dar transportă eficient electronii de-a lungul periferiei lor.

Noul studiu „arată că această proprietate fizică destul de exotică poate apărea în ceva la fel de familiar precum propagarea sunetului”, spune Steven Cummer, inginer electrician la Universitatea Duke, care nu a fost implicat în lucrare.

Deocamdată, designul necesită multe părți mobile și manipulează doar o gamă îngustă de frecvențe sonore. Dar o structură similară ar putea permite în cele din urmă inginerilor să redirecționeze zgomotele puternice dintr-o cameră sau poate să ascundă submarinele de la sonar.

Izolatorii topologici au personalități exotice împărțite ( SN: 22.5.10, str. 22 ). Ambele izolează, blocând mișcarea electronilor, și conduc electronii în mișcare, dar numai pe străzi speciale de-a lungul marginii materialelor. Toți electronii cu un anumit spin se mișcă în aceeași direcție și nimic nu-i poate îndepărta de curs. Pe măsură ce navighează de-a lungul acestui drum cu sens unic, electronii scalează denivelări și sar gropi, deoarece proprietățile materialului nu permit particulelor să sară sau să se împrăștie înapoi – ei pot doar să avanseze.

Recent, oamenii de știință au extins domeniul de aplicare a izolatorilor topologici prin crearea de materiale care direcționează lumina în loc de electroni (SN: 18.5.13, str. 8). Fizicianul Baile Zhang și colegii săi de la Universitatea Tehnologică Nanyang din Singapore au făcut lucrurile cu un pas mai departe și au proiectat un dispozitiv analog pentru manipularea sunetului. Structura lor propusă este o rețea de tije metalice, fiecare învelită într-o carcasă cilindrică. Tijele sunt dimensionate și distanțate pentru a interfera cu undele sonore și pentru a limita undele la marginea materialului, creând comportamentul dublu izolator-conductor.

Partea cea mai dificilă a fost să mă gândesc la o modalitate de a canaliza undele într-o singură direcție. Găsindu-și inspirație într-un experiment de anul trecut, Zhang și colegii propun rotirea tijelor de metal precum plăcile turnante pentru a crea buzunare de aer învolburate în fiecare carcasă. Mișcarea în sens invers acelor de ceasornic a aerului ar trebui să forțeze undele sonore pe o cale în sens invers acelor de ceasornic de-a lungul marginii dispozitivului, au emis ipoteza cercetătorilor. Zhang sugerează să folosiți motoare mici, precum cele folosite pentru a învârti rotoarele elicopterelor de jucărie pentru a învârti tijele metalice.

Simulările pe computer au confirmat că o rețea de sute de tije care se rotesc cu lățime de centimetri ar limita undele sonore audibile pe o cale îngustă unidirecțională de-a lungul graniței materialului. Și undele sonore simulate au rămas pe curs fără împrăștiere chiar și după ce au întâlnit imperfecțiuni și viraje ascuțite. „Sunetul este forțat să se propagă de-a lungul graniței, chiar dacă faci lucruri destul de întortocheate până la graniță”, cum ar fi să-l faci zimțat sau accidentat, spune Cummer.

Designul are dezavantaje. Dispozitivul manipulează doar o gamă restrânsă de frecvențe, notează Cummer. Și Eugene Mele, un fizician teoretician de la Universitatea din Pennsylvania, care a fost coautor al unei lucrări esențiale despre izolatorii topologici în 2005, este sceptic cu privire la caracterul practic al atâtor cilindri rotativi. „Este un pic un instrument Rube Goldberg”, spune el.

Un eventual prototip poate să nu semene exact cu designul lui Zhang, dar ar putea găsi o mulțime de utilizări. Cummer are în vedere panouri acustice topologice pe un perete pentru a capta sunetul de la un generator zgomotos și a împiedica acesta să ajungă în restul încăperii. Zhang spune că o structură similară ar putea acoperi submarinele, împiedicând impulsurile sonarului să revină, deși inginerul de la Universitatea Texas din Austin, Andrea Alù, spune că este dificil să direcționezi sunetul în jurul unui obiect curbat, care plutește liber.

Zhang speră să demonstreze experimental designul echipei sale în câteva luni.