物理

聲音的單行道

用磁場打破聲波的時間反轉對稱性。

撰文/蔡宙(Charles Q. Choi)
翻譯/甘錫安

物理

聲音的單行道

用磁場打破聲波的時間反轉對稱性。

撰文/蔡宙(Charles Q. Choi)
翻譯/甘錫安

單面鏡和單行道都只容許單方向的流動,但要做出只容許聲波或其他種類的波朝單一方向傳播的裝置則相當困難,主要原因在於「時間反轉對稱性」這種基本性質。聲波通常不會朝特定方向傳播,只要你聽得見別人的聲音,別人就聽得見你的聲音。

今年1月,美國德州大學奧斯丁分校電子工程師阿路(Andrea Alu)等人發表聲波單向傳播裝置的研發成果。這台裝置稱為「聲音循環器」,相當類似電訊及雷達領域中使微波和無線電波朝單一方向行進的隔離器。隔離器中有施加磁場並受磁力改變性質的材料,電磁波通過這種材料時,就會破壞波的時間反轉對稱性。

為了對聲波仿造出相同的效果,阿路等人在金屬共振環上安裝三具超小型風扇,風扇帶動空氣(在裝置中傳送聲波的介質)以配合聲音頻率的速度通過金屬環;金屬環連接三個端點,三個端點的間隔相同,可把聲波送入與送出金屬環。風扇關閉時,發自某個端點的聲波會以相同的強度傳播到另外兩個端點,但打開風扇之後,氣流會破壞聲波的時間反轉對稱性。結果幾乎所有聲波都可到達其中一個接收端點,但無法與氣流逆向傳播,因此到不了另一個端點。

德州大學的研究人員使用現成元件製作聲學振盪器,使得聲波傳播方向以外的聲波量減少一萬倍,成果刊載於今年1月31日的《科學》。杜克大學電子工程師克默(Steven Cummer)評論道:「他們運用巧妙的構想達成前所未有的成果。」他指出,該裝置只能對範圍相當小的聲音頻率產生作用,未來研究重點或許會放在擴大可控制的頻率範圍。

阿路等人目前也在開發不具可動組件的聲波單向傳播裝置。這項發現將可帶來新的隔音、噪音控制和聲納裝置。阿路表示,進一步研究還可找到操縱光與無線電波的新方法。

【欲閱讀更豐富內容,請參閱科學人2014年第147期5月號】



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