聲音的單行道

工程師們完成了在僅一個方向上傳輸聲波的艱鉅任務

加入我們的科學愛好者社群!

單向鏡和單行道都只允許在一個方向上流動,但要創造出允許聲音或其他波在一個方向上傳播,而不是在相反方向上傳播的東西是很困難的。這是因為一個稱為時間反演對稱性的基本屬性。通常,從哪個方向產生聲音沒有區別——如果你能聽到,你也能被聽到。

今年一月,電氣工程師安德烈亞·阿盧和他在奧斯汀德克薩斯大學的同事發表了關於一種可以使單向聲音傳輸實用的裝置的成果。該裝置被稱為聲學環行器,類似於電信和雷達中使用的隔離器,後者將微波和無線電波的流動限制在一個方向上。在隔離器中,電磁波透過一種施加了磁場的材料。透過這種磁性改變的材料傳播會打破波的時間反演對稱性。

為了用聲音模擬這種效果,阿盧和他的同事在一個共振金屬環中安裝了三個微型風扇;風扇以與聲音訊率相匹配的速度吹動空氣(裝置中傳輸聲音的介質)穿過環。該環連線到三個等距埠,這些埠可以在環內和環外傳輸聲波。當風扇關閉時,來自一個埠的聲音將以相同的強度流向其他兩個埠。但是,當風扇開啟時,氣流會中斷透過它的聲波的時間反演對稱性。結果是:幾乎所有聲音都以與氣流相反的方向傳播到一個接收埠,而不是其他埠。


關於支援科學新聞

如果您喜歡這篇文章,請考慮透過以下方式支援我們屢獲殊榮的新聞事業 訂閱。透過購買訂閱,您正在幫助確保有關塑造我們當今世界的發現和想法的有影響力的故事的未來。


德克薩斯州研究人員使用現成的元件,他們的聲學振盪器抑制了在不需要的方向上傳播的聲音量達10,000倍。《科學》雜誌1月31日刊詳細介紹了這些發現。杜克大學的電氣工程師史蒂文·卡默爾說:“他們使用了一個非常聰明的想法來製造以前從未製造過的東西。”卡默爾沒有參與這項研究。卡默爾指出,該裝置僅適用於非常特定的聲音訊率,未來的工作可能會集中在控制更廣泛的頻率範圍上。

阿盧和他的同事現在也在追求一種沒有移動部件的單向聲音傳輸裝置。這項發現可能會帶來新型的隔音、噪聲控制和聲納。此外,阿盧說,進一步的研究可能會帶來操縱光和無線電波的新方法。

查爾斯·Q·崔《大眾科學》的特約撰稿人。他的作品也曾發表在《紐約時報》、《科學》、《自然》、《連線》《LiveScience》等刊物上。在業餘時間,他曾到過所有七大洲。

更多作者:查爾斯·Q·崔
大眾科學 Magazine Vol 310 Issue 4本文最初以“聲音的單行道”為標題發表於《大眾科學》雜誌第310卷第4期(),第31頁
doi:10.1038/scientificamerican0414-31a
© .