Pesquisadores da ETH Zurich conseguiram fazer ondas sonoras viajarem somente em uma direção. No futuro, esse método também poderá ser usado em aplicações técnicas com ondas eletromagnéticas.
Por Oliver Morsch, ETH Zurique, com informações de Phys.
Ondas de água, luz e som geralmente se propagam da mesma forma para frente e para trás. Como consequência, quando falamos com alguém que está a alguma distância de nós, essa pessoa pode nos ouvir tão bem quanto nós podemos ouvi-la. Isso é útil ao ter uma conversa, mas em algumas aplicações técnicas, seria preferível que as ondas pudessem viajar apenas em uma direção — por exemplo, para evitar reflexos indesejados de luz ou micro-ondas
Dez anos atrás, pesquisadores conseguiram suprimir a propagação de ondas sonoras na direção reversa; no entanto, isso também atenuou as ondas que viajavam para a frente.
Uma equipe de pesquisadores da ETH Zurique liderada por Nicolas Noiray, professor de Combustão, Acústica e Física do Fluxo, em colaboração com Romain Fleury da EPFL, desenvolveu um método para impedir que ondas sonoras viajem para trás sem deteriorar sua propagação na direção direta.
No futuro, esse método, que foi publicado recentemente na Nature Communications, também poderá ser aplicado a ondas eletromagnéticas.
A base dessa via de mão única para ondas sonoras são as auto-oscilações, nas quais um sistema dinâmico repete periodicamente seu comportamento. “Na verdade, passei boa parte da minha carreira prevenindo tais fenômenos”, diz Noiray.
Entre outras coisas, ele estuda como oscilações termoacústicas autossustentáveis podem surgir da interação entre ondas sonoras e chamas na câmara de combustão de um motor de aeronave, o que pode levar a vibrações perigosas. No pior dos casos, essas vibrações podem destruir o motor.
Auto-oscilações inofensivas e úteis
Noiray teve a ideia de usar oscilações aeroacústicas autossustentáveis inofensivas para permitir que as ondas sonoras passassem apenas em uma direção e sem perdas através de um chamado circulador. Em seu esquema, a atenuação inevitável das ondas sonoras é compensada pelas auto-oscilações no circulador sincronizando com as ondas de entrada, o que lhes permite ganhar energia dessas oscilações.
O circulador em si deveria consistir em uma cavidade em forma de disco através da qual o ar em turbilhão é soprado de um lado por uma abertura em seu centro. Para uma combinação específica de velocidade de sopro e intensidade do turbilhão, um som de assobio é criado na cavidade.
“Ao contrário dos apitos comuns, nos quais o som é criado por uma onda estacionária na cavidade, neste novo apito ele resulta de uma onda giratória”, explica Tiemo Pedergnana, ex-aluno de doutorado do grupo de Noiray e principal autor do estudo.
Da ideia ao experimento, levou um tempo. Primeiro, Noiray e seus colegas investigaram a mecânica dos fluidos do apito de onda giratório e, então, adicionaram três guias de onda acústica a ele, que são dispostos em um formato triangular ao longo da borda do circulador.
Ondas sonoras que são alimentadas através do primeiro guia de ondas podem sair do circulador através do segundo guia de ondas. No entanto, uma onda que entra através do segundo guia de ondas não pode sair “para trás” através do primeiro guia de ondas, mas pode fazê-lo através do terceiro guia de ondas.
Ondas sonoras como um modelo de brinquedo
Ao longo de vários anos, os pesquisadores do ETH desenvolveram e modelaram teoricamente as várias partes do circulador; agora, finalmente, eles puderam demonstrar experimentalmente que sua abordagem de compensação de perdas funciona. Eles enviaram uma onda sonora com uma frequência de cerca de 800 Hertz (aproximadamente o sol alto de uma soprano) através do primeiro guia de ondas e mediram o quão bem ela foi transmitida para o segundo e o terceiro guias de ondas.
Como esperado, a onda sonora não chegou ao terceiro guia de ondas. No entanto, do segundo guia de ondas (na direção “para frente”), surgiu uma onda sonora ainda mais forte do que a enviada originalmente.
“Este conceito de propagação de onda não recíproca com compensação de perdas é, em nossa visão, um resultado importante que também pode ser transferido para outros sistemas”, diz Noiray. Ele vê seu circulador de ondas sonoras principalmente como um poderoso modelo de brinquedo para a abordagem geral de manipulação de ondas usando auto-oscilações sincronizadas que podem, por exemplo, ser aplicadas a metamateriais para ondas eletromagnéticas.
Dessa forma, as micro-ondas em sistemas de radar poderiam ser melhor guiadas, e os chamados circuitos topológicos poderiam ser realizados, com os quais os sinais podem ser roteados em futuros sistemas de comunicação.
Mais informações: Tiemo Pedergnana et al, Loss-compensated non-reciprocal scattering based on synchronization, Nature Communications (2024). DOI: 10.1038/s41467-024-51373-y
