Una strada a senso unico per le onde sonore

Che si tratti di acqua, luce o suono: Le onde di solito si propagano sia in avanti che all'indietro. Quindi, quando parliamo con qualcuno che si trova a una certa distanza da noi, questi può sentirci così come noi possiamo sentire lui. Questo è pratico per una conversazione, ma in alcune applicazioni tecniche sarebbe preferibile che le onde viaggiassero in una sola direzione, ad esempio per evitare riflessioni indesiderate di luce o microonde.

Dieci anni fa, gli scienziati sono riusciti a sopprimere la propagazione all'indietro delle onde sonore, ma questo ha indebolito anche le onde che viaggiano in avanti. Un team di ricercatori dell'ETH di Zurigo guidato da Nicolas Noiray, professore di Combustione, Acustica e Fisica dei Fluidi, in collaborazione con Romain Fleury dell'EPFL, ha ora sviluppato un metodo per impedire alle onde sonore di viaggiare all'indietro senza influenzare la loro propagazione in avanti. Il metodo, che è stato appena pubblicato sulla rivista pagina esternaComunicazioni sulla natura in futuro potrebbe essere applicata anche alle onde elettromagnetiche.

Alla base di questa strada a senso unico delle onde sonore ci sono le auto-oscillazioni, in cui un sistema dinamico ripete periodicamente il suo comportamento. "Ho passato gran parte della mia carriera a cercare di prevenire questi fenomeni", dice Noiray. Tra le altre cose, studia come le oscillazioni termoacustiche autosostenute possano sorgere nella camera di combustione di un motore aereo attraverso l'interazione tra le onde sonore e le fiamme, portando a vibrazioni pericolose. Nel peggiore dei casi, queste vibrazioni possono distruggere il motore.

Auto-oscillazioni innocue e utili

Noiray ha avuto l'idea di utilizzare oscillazioni aeroacustiche innocue e autosufficienti per consentire alle onde di sovratensione di passare attraverso un cosiddetto circolatore in una sola direzione e senza perdite. L'inevitabile attenuazione delle onde sonore viene compensata sincronizzando le auto-oscillazioni del circolatore con le onde incidenti, che possono così guadagnare energia dalle auto-oscillazioni. Il circolatore dovrebbe essere costituito da una cavità a forma di disco attraverso la quale viene soffiata aria vorticosa da un lato attraverso un'apertura al centro. A una certa combinazione di velocità di soffiaggio e intensità della turbolenza, nella cavità si genera un fischio. "A differenza dei fischi normali, in cui il suono è prodotto da un'onda stazionaria nella cavità, questo nuovo fischio lo produce da un'onda rotante", spiega Tiemo Pedergnana, dottorando del gruppo di ricerca di Noiray e primo autore dello studio.

Dall'idea all'esperimento c'è voluto un po' di tempo: Noiray e i suoi collaboratori hanno prima studiato la meccanica dei fluidi del tubo con gli alberi rotanti e poi hanno aggiunto tre guide d'onda acustiche, disposte a forma di triangolo sul bordo del circolatore. Le onde sonore immesse attraverso la prima guida d'onda possono lasciare il circolatore attraverso una seconda guida d'onda. Tuttavia, un'onda che entra attraverso la seconda guida d'onda non può uscire all'indietro attraverso il primo foro, ma può uscire attraverso la terza guida d'onda.

Le onde sonore come modello di visualizzazione

Per diversi anni, i ricercatori dell'ETH hanno sviluppato e modellato teoricamente le varie parti del circolatore; ora sono finalmente riusciti a dimostrare con degli esperimenti che il loro approccio con compensazione delle perdite funziona. Hanno inviato un'onda sonora con una frequenza di circa 800 Hertz (all'incirca il sol acuto di un soprano) attraverso la prima guida d'onda del circolatore e ne hanno misurato la trasmissione alla seconda e alla terza guida d'onda. Come previsto, l'onda sonora non ha raggiunto la terza guida d'onda. Al contrario, dalla seconda guida d'onda è emersa un'onda sonora (in direzione di marcia) ancora più forte di quella originariamente immessa.

"Questo concetto di propagazione non reciproca delle onde con compensazione delle perdite è, a nostro avviso, un risultato importante che può essere trasferito ad altri sistemi", afferma Noiray. Egli vede il suo circolatore di onde sonore soprattutto come un modello illustrativo dell'approccio generale alla manipolazione delle onde mediante auto-oscillazioni sincronizzate, che può essere applicato, ad esempio, ai metamateriali per le onde elettromagnetiche. Ciò potrebbe essere utilizzato per guidare meglio le microonde nei sistemi radar, ad esempio, e per realizzare i cosiddetti circuiti topologici che possono essere utilizzati per guidare i segnali nei futuri sistemi di comunicazione.