Los investigadores de la Escuela Politécnica Federal de Zúrich han conseguido que las ondas sonoras se propaguen en una sola dirección, un avance para aplicaciones técnicas con ondas electromagnéticas.
Las ondas de agua, luz y sonido se propagan normalmente de la misma manera hacia delante que hacia atrás. Por tanto, cuando hablamos con alguien que se encuentra a cierta distancia, esa persona puede oírnos tan bien como nosotros a ella. Esto resulta útil durante una conversación, pero en algunas aplicaciones técnicas se preferiría que las ondas se propaguen en una sola dirección, por ejemplo, para evitar reflejos no deseados de luz o microondas.
Hace diez años, los investigadores lograron suprimir la propagación de las ondas sonoras en la dirección de retorno, pero esto también atenuó las ondas que se propagan hacia delante.
Un equipo de investigadores de la Escuela Politécnica Federal de Zúrich dirigido por Nicolas Noiray, catedrático de Física de la Combustión, Acústica y de Flujos, en colaboración con Romain Fleury en la EPFL, ha desarrollado ahora un método para evitar que las ondas sonoras se propaguen hacia atrás sin deteriorar su propagación hacia delante.
En el futuro, este método, que se ha publicado recientemente en Nature Communications, también podría aplicarse a las ondas electromagnéticas.
La base de esta vía de un solo sentido para las ondas sonoras son las autooscilaciones, en las que un sistema dinámico repite periódicamente su comportamiento. “De hecho, he pasado buena parte de mi carrera previniendo este tipo de fenómenos”, afirma Noiray en un comunicado.
Entre otras cosas, estudia cómo pueden surgir oscilaciones termoacústicas autosostenidas a partir de la interacción entre las ondas sonoras y las llamas en la cámara de combustión de un motor de avión, que pueden provocar vibraciones peligrosas. En el peor de los casos, estas vibraciones pueden destruir el motor.
A Noiray se le ocurrió utilizar oscilaciones aeroacústicas autosostenidas inofensivas para permitir que las ondas sonoras pasen solo en una dirección y sin pérdidas a través de un llamado circulador. En su esquema, la atenuación inevitable de las ondas sonoras se compensa mediante las autooscilaciones en el circulador que se sincronizan con las ondas entrantes, lo que les permite ganar energía de esas oscilaciones.
El circulador en sí debía consistir en una cavidad en forma de disco a través de la cual se sopla aire en forma de remolino desde un lado a través de una abertura en su centro. De esta manera, para una combinación específica de velocidad de soplado e intensidad del remolino, se crea un sonido silbante en la cavidad.
“A diferencia de los silbidos convencionales, en los que el sonido se crea mediante una onda estacionaria en la cavidad, en este nuevo se produce a partir de una onda giratoria”, explica Tiemo Pedergnana, ex estudiante de doctorado del grupo de Noiray y autor principal del estudio.
Desde la idea hasta el experimento, pasó un tiempo. Primero, Noiray y sus colaboradores investigaron la mecánica de fluidos del silbato de onda giratoria y luego le agregaron tres guías de ondas acústicas, que están dispuestas en forma triangular a lo largo del borde del circulador.
Las ondas sonoras que se introducen a través de la primera guía de ondas pueden salir del circulador a través de la segunda guía de ondas. Sin embargo, una onda que entra a través de la segunda guía de ondas no puede salir “hacia atrás” a través de la primera guía de ondas, pero sí puede hacerlo a través de la tercera.
Durante varios años, los investigadores de la ETH desarrollaron y modelaron teóricamente las distintas partes del circulador; ahora, por fin, pudieron demostrar experimentalmente que su método de compensación de pérdidas funciona. Enviaron una onda sonora con una frecuencia de alrededor de 800 hercios (aproximadamente la gravedad aguda de una soprano) a través de la primera guía de ondas y midieron su transmisión a la segunda y tercera guías de ondas.
Como se esperaba, la onda sonora no llegó a la tercera guía de ondas. Sin embargo, de la segunda guía de ondas (en la dirección “hacia adelante”) surgió una onda sonora que era incluso más fuerte que la enviada originalmente.
“Este concepto de propagación de ondas no recíproca con compensación de pérdidas es, en nuestra opinión, un resultado importante que también se puede transferir a otros sistemas”, dice Noiray. Considera que su circulador de ondas sonoras principalmente es un modelo de juguete potente para el método general de manipulación de ondas mediante autooscilaciones sincronizadas que se puede aplicar, por ejemplo, a metamateriales para ondas electromagnéticas.
De esta manera se podrían guiar mejor las microondas en los sistemas de radar y se podrían realizar los llamados circuitos topológicos, con los que se podrán enrutar las señales en los futuros sistemas de comunicaciones.
