2011年5月10日 星期二

給聲音定向 單向音牆有可能成為現實

想像一下,一個房間裡有一個樂隊在演奏。房間外的人卻聽不到音樂,但如果有人在房間外談話,裡面的音樂家可以聽到說話聲。未來的材料可以彎曲聲波,使聲波只能以單向通過牆壁。研究人員已經證明,非線性聲音彎曲材料是理論上可能實現的。

這種使聲音單向通過的牆壁像是幻想,但兩名意大利科學家最近使這種聲音操控技術更接近現實。意大利Insubria大學非線性與複雜系統中心主任物理學教授卡薩提(Giulio Casati)說,「非線性使我們的世界比線性世界更加豐富。它這使我們有更多的可能性。」


卡薩提和佛羅倫薩國家研究委員會複雜系統研究所的研究員勒布裡(Stefano Lepri),想出了一個意想不到的聲學機制。他們的想法的靈感來自於早期的熱二極管,它能夠不對稱地傳熱。他們現在設想的技術是一種具有非線性特性的物質或設備,可以以意想不到的方式彎曲聲波。

從理論上講,非線性系統將比一面反光另一面透光的單向鏡子發揮得更好。警察使用的單向鏡子並不是真正的單向,因為它們實際上依靠光度差異和反射作用,即一側黑暗另一側光亮。而非線性聲學材料將只允許聲音在一個方向上通過,同時阻止反向的聲音。

為給聲波定向,研究人員建議非對稱地交替使用線性和強非線性材料層。材料有了正確的結構組成後,當聲波從一側進入時,它基本上被材料阻塞,然後被重新定向。卡薩提解釋說,這是因為頻率朝兩個不同的方向偏移。倆人用數學計算結果證明,這種聲學材料將來有可能成為現實。他們最近在《物理評論快報》(Physical Review Letters)上發表了他們的研究結果。

卡薩提說,「物理學允許這樣的聲波二極管存在,這很關鍵,因為之前,我們不知道。」
雖然這項聲學技術仍然只是理論,研究人員認為它可以實現。勒布裡說非線性光子領域現在已經是非常發達。他說,「現在的問題是,同樣的非線性是否可以在聲學上實現,這也許不容易,但理論上有一些嚐試。」

卡默是在杜克大學電氣和計算機工程副教授,他的一個專長領域是工程電磁材料。「這是一個有趣的理論方案,他們談論的材料並非完全瘋狂。」卡默說,該材料的概念很容易理解,如果能成為實現將有實際的用途。「如果人們想使房間裡的聲音不外傳,但同時希望能夠聽到外邊的聲音,它就會有大量應用。」

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