Акустический циркулятор: «одностороннее зеркало» для звука

По детективным фильмам всем хорошо знакомо так называемое одностороннее зеркало, которое позволяет полицейским наблюдать за допросом, оставаясь при этом невидимыми для его участников. Учёные из Техасского университета изобрели оригинальное устройство, представляющее собой аналог подобного зеркала, только не для световых волн, а для звуковых.

Прототип акустического циркулятора, описанный в журнале Science, опровергает фундаментальный физический принцип, гласящий, что звуковые и другие типы волн распространяются в среде в обоих направлениях. С помощью такого устройства у человека появится возможность слышать всё происходящее, но при этом не быть слышимым. Чем не находка для шпиона, который сможет подслушивать противника, находясь в непосредственной близости от него? При этом ему уже не надо будет соблюдать абсолютную тишину: разговор по телефону, кашель или даже громкая музыка уже не выдадут скрытого наблюдателя.

Каким же образом удалось реализовать такую возможность? Прежде всего, человеку уже давно под силу прерывать двухстороннее распространение разных типов волн. Одностороннее зеркало — это лишь самый известный и самый наглядный пример подобных устройств. Менее известны, хотя и достаточно давно используются в радиотехнике, электронные циркуляторы, которые работают с волнами радиодиапазона и применяются в передатчиках, локаторах, радарах и прочей радиотехнике. Для отклонения волн в электронных циркуляторах служат магнитные материалы, ориентирующие электроны в нужном направлении. В результате радиоволны, передаваемые в противоположных направлениях, сталкиваются с разницей в свойствах среды, и это предотвращает возникновение нежелательных эффектов при радиотрансляциях.

Оптические циркуляторы используются в оптоволоконных сетях передачи данных и представляют собою аналог электронного циркулятора, работающего со световыми волнами. Такие устройства применяются в системах связи и оптоволоконных датчиках и позволяют, в частности, передавать сигнал в двух направлениях по одному оптоволокну.

Похожий принцип было решено реализовать и для акустических волн. Звуковые волны как механические колебания в различной среде, в том числе в воздухе, при отсутствии непреодолимых помех способны распространяться в двух прямо противоположных направлениях. Для того чтобы изменить направление или заблокировать распространение акустических волн необходимо было создать такие препятствия. Учёные воспользовались для этого самой средой — воздухом, который был организован в потоки при помощи нескольких вентиляторов.

Прототип акустического циркулятора представляет собой изготовленный из металла шестиугольник, в центре которого расположена кольцевая резонирующая полость диаметром около 20 сантиметров. Внутри резонатора установлены три небольших вентилятора, скорость вращения которых задаёт и регулирует специально запрограммированный микропроцессор. 

C трёх сторон циркулятора расположены три отверстия с присоединёнными к ним трубкам — выходным каналам, на конце каждой из которых расположен микрофон. В процессе работы устройства звук, проходящий через резонатор, может направляться от одной трубки к другой, при этом волны будут распространяться лишь в одном направлении, то есть звук, поданный через отверстие А будет слышен через отверстие B, но если попытаться передать звук через отверстие B, то он не будет слышен через отверстие A, но будет слышен в отверстии C.

Если устройство выключено, то есть ни один кулер не работает, то звук распространяется через него естественным образом, то есть, к примеру, заходя через отверстие A, он разделяется на симметричные потоки, выходящие через отверстия B и C. Но при включённых вентиляторах за счёт противодействия воздушного потока создаются искусственные препятствия, нарушающие такой порядок. Правильно выбрав скорость встречного потока относительно ширины резонатора и длины звуковой волны, можно полностью заблокировать распространение звука к одному из отверстий. Воздушный поток, создаваемый вентиляторами, движется только в одном направлении, обеспечивая тем самым однонаправленное распространение звуковых волн. По мнению разработчиков, первый в своём роде акустический циркулятор может быть с лёгкостью настроен на работу с разными звуковыми частотами.

Как отмечает один из авторов изобретения, инженер-электротехник в Университете штата Техас в Остине Андреа Алу, в более широком смысле, эта работа доказывает существование нового физического механизма преодоления симметрии по отношению к обращению времени, допускающего невзаимную передачу волн. В свою очередь, это открывает новые возможности развития акустики. Алу считает, что использование этого принципа, возможно, позволит сконструировать более простые, миниатюрные и дешёвые электронные циркуляторы, другие электронные компоненты для беспроводных устройств и даже создать однонаправленные каналы связи для световых волн. В настоящее время разработчики акустического циркулятора заняты созданием прототипа такого устройства, которое бы не имело движущихся частей и благодаря этому было бы менее шумным и более надёжным. Кроме того, параллельно ведутся исследования по применению того же принципа к разработке изоляторов и циркуляторов для радио- и световых волн.

Работа по созданию акустического циркулятора была поддержана Агентством по предотвращению военной угрозы Миистерства обороны США и Научно-исследовательской лабораторией Военно-воздушных сил США. Однако несмотря на самое очевидное возможное применение такого устройства в оборонных целях, существует и масса других способов его использования. 

Помимо чисто «шпионских» гаджетов, открытый учёными из Остина принцип может быть положен в основу звукоизоляционных систем нового поколения.Такая техника может найти применение в шумоизоляции жилых помещений, концертных залов и студий звукозаписи, автомобильных магистралей, самолётов и подводных лодок. Разумеется, в таких устройствах не обязательно должны использоваться именно вентиляторы — возможно, что блокировки и отклонения звуковых потоков можно будет добиться и какими-то другими средствами, более подходящими для конкретных условий. Однако сам принцип, на основе которого был построен прототип акустического циркулятора, несомненно, имеет большое будущее.