Звукодиод: Одностороннее движение

Подтвердились предположения о том, что можно создать «полупрозрачное зеркало» для звука, которое блокирует акустические волны, движущиеся в одном направлении, но пропускает идущие в другом.
5
17543
  • Схема экспериментальной установки
    Схема экспериментальной установки

Так же, как электрический диод пропускает ток только в одном направлении, устройство, называемое «акустическим выпрямителем», меняет частоту входящего сигнала и пропускает звук этой частоты сквозь себя, в то время как сигнал исходной частоты не может преодолеть барьер в обратном направлении. В некоторых областях такое устройство может оказаться полезным, подобно тому, как электрические диоды когда-то нашли свое применение в информатике.

В прошлом году Цзянь-чунь Чен (Jian-chun Cheng) и его коллеги из Нанкинского университета (Китай) предложили теоретический путь создания акустического диода. А теперь они продемонстрировали практическую реализацию устройства (статья исследователей опубликована в журнале Nature Materials).

«С появлением первого экспериментального акустического выпрямителя не следует более полагать, что акустические волны могут одинаково легко распространяться по заданному пути в обоих направлениях, как это обычно воспринимается», — пишут ученые.

Устройство состоит из двух частей: слоя специального геля, применяемого для ультразвуковых исследований, и решетки, состоящей из чередующихся слоев воды и стекла. Чтобы звук прошел сквозь диод, он должен сначала миновать слой геля. Ультразвуковой гель представляет собой нелинейную среду, при прохождении которой частота акустических волн удваивается. Решетка отсеивает все частоты, кроме той, удвоенной, что позволяет звуку частично пройти сквозь устройство.

Однако, если исходная волна попытается пройти через диод в обратном направлении, она в первую очередь должна будет миновать решетку. И поскольку её частота не была увеличена при прохождении слоя геля, эта волна будет полностью блокирована решеткой.

Подобные устройства могут найти применение для медицинских ультразвуковых исследований, при которых может потребоваться сфокусировать звуковые волны определенных частот, пишут авторы работы.

Кьяра Дарайо (Chiara Daraio), доцент кафедры аэронавтики и прикладной физики в Калифорнийском технологическом институте (США), описывает устройство, созданное исследователями из Нанкина, как «умную и оригинальную экспериментальную установку». Вместе с тем она отмечает потенциальные ограничения устройства, работающего только с заранее заданным диапазоном частот. Кроме того, акустический диод Чена передает не исходную, а увеличенную частоту. «Это как полупрозрачное зеркало, которое меняет цвет изображения», — поясняет Дарайо.

Группа Дарайо работает над созданием «звукодиодов» с использованием различных типов акустических кристаллов, что позволит сделать устройство более настраиваемым.

Николас Фанг (Nicholas Fang), специалист по нанофотонике из университета штата Иллинойс (США), говорит, что изобретение Чена столь же важно, как изобретение электрического диода в своей области. По словам Фанга, следующим важным шагом должно стать объединение подобных устройств, которое позволит пройти путь «от диода к интегральной схеме». Будет ли это возможно с тем типом акустического диода, который разработала группа Чена — еще предстоит выяснить.

По сообщению Nature News

Комментарии

5 комментариев