研究人员首次实现让单向声音传播

在 ETH 实验中，自振荡（蓝-红）导致声波（绿、橙、紫）只能单向穿过循环器。资料来源：邹昕

声波控制领域的突破

对于声波，十年前研究人员成功地抑制了其向后的传播，但这也削弱了向前传播的声波。现在，苏黎世联邦理工学院燃烧、声学和流动物理学教授尼古拉斯-诺伊雷（Nicolas Noiray）领导的研究小组与洛桑联邦理工学院的罗曼-弗勒里（Romain Fleury）合作，开发出了一种既能防止声波向后传播，又不会影响声波向前传播的方法。

这种方法最近发表在科学杂志《自然-通讯》上，今后也可应用于电磁波。

自振荡的创新应用

自振荡是声波单向传播的基础，在自振荡中，动态系统会周期性地重复自己的行为。诺伊雷说："实际上，我职业生涯的大部分时间都在防止这种现象的发生。"

除其他外，他还研究飞机发动机燃烧室中声波和火焰之间的相互作用如何产生自持热声振荡，从而导致危险的振动。在最糟糕的情况下，这些振动会摧毁发动机。

实验装置示意图（左）和波传播示意图（右）。图片来源：Nicolas Noiray / 苏黎世联邦理工学院

无害而有用的自振荡

Noiray 的想法是利用无害的自持气声振荡，让声波通过一个所谓的环行器，只向一个方向传递，而不产生任何损耗。在他的方案中，声波不可避免的衰减可以通过循环器中与传入声波同步的自振来补偿，从而使声波从这些振荡中获得能量。循环器本身应该由一个圆盘形的空腔组成，漩涡状的空气从一侧通过空腔中心的开口吹入空腔。

在特定的吹气速度和漩涡强度组合下，空腔中就会产生哨声。诺伊雷研究小组的前博士生、本研究的第一作者蒂莫-佩德格纳纳（Tiemo Pedergnana）解释说："普通口哨的声音是由空腔中的驻波产生的，而这种新型口哨的声音则是由旋转波产生的。"

从构思到实验需要一段时间：首先，诺伊雷和他的同事们研究了旋转波哨子的流体力学，然后在其上添加了三个声波导管，沿着循环器的边缘呈三角形排列。通过第一根波导进入的声波可以通过第二根波导离开循环器。但是，从第二根波导管进入的声波不能从第一根波导管"逆向"流出，但可以从第三根波导管流出。

实际应用和未来影响

几年来，ETH 的研究人员开发了环行器的各个部分，并对其进行了理论建模；现在，他们终于可以通过实验证明他们的损耗补偿方法是有效的。他们将频率约为 800 赫兹（约为女高音的高音 g）的声波通过第一波导，并测量了声波传输到第二和第三波导的效果。不出所料，声波没有到达第三波导。然而，从第二个波导（"前进"方向）发出的声波比最初发出的声波更强。

诺伊雷说："在我们看来，这种损耗补偿的非互易波传播概念是一项重要成果，也可应用于其他系统。"他认为他的声波环行器主要是一个强大的玩具模型，可用于利用同步自振荡进行波操纵的一般方法，例如可用于电磁波的超材料。通过这种方式，雷达系统中的微波可以得到更好的引导，所谓的拓扑电路也可以实现，未来的通信系统可以利用这种电路来路由信号。

编译自/ScitechDaily

DOI: 10.1038/s41467-024-51373-y