单向镜和单行道都只允许在一个方向上流动,但要创造出允许声音或其他波在一个方向上传播,而不是在相反方向上传播的东西是很困难的。这是因为一个称为时间反演对称性的基本属性。通常,从哪个方向产生声音没有区别——如果你能听到,你也能被听到。
今年一月,电气工程师安德烈亚·阿卢和他在奥斯汀德克萨斯大学的同事发表了关于一种可以使单向声音传输实用的设备的成果。该设备被称为声学环行器,类似于电信和雷达中使用的隔离器,后者将微波和无线电波的流动限制在一个方向上。在隔离器中,电磁波通过一种施加了磁场的材料。通过这种磁性改变的材料传播会打破波的时间反演对称性。
为了用声音模拟这种效果,阿卢和他的同事在一个共振金属环中安装了三个微型风扇;风扇以与声音频率相匹配的速度吹动空气(设备中传输声音的介质)穿过环。该环连接到三个等距端口,这些端口可以在环内和环外传输声波。当风扇关闭时,来自一个端口的声音将以相同的强度流向其他两个端口。但是,当风扇打开时,气流会中断通过它的声波的时间反演对称性。结果是:几乎所有声音都以与气流相反的方向传播到一个接收端口,而不是其他端口。
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德克萨斯州研究人员使用现成的组件,他们的声学振荡器抑制了在不需要的方向上传播的声音量达10,000倍。《科学》杂志1月31日刊详细介绍了这些发现。杜克大学的电气工程师史蒂文·卡默尔说:“他们使用了一个非常聪明的想法来制造以前从未制造过的东西。”卡默尔没有参与这项研究。卡默尔指出,该设备仅适用于非常特定的声音频率,未来的工作可能会集中在控制更广泛的频率范围上。
阿卢和他的同事现在也在追求一种没有移动部件的单向声音传输设备。这项发现可能会带来新型的隔音、噪声控制和声纳。此外,阿卢说,进一步的研究可能会带来操纵光和无线电波的新方法。