Los investigadores de la Escuela Politécnica Federal de Zúrich han conseguido que las ondas sonoras se propaguen en una sola dirección. En el futuro, este método también podría utilizarse en aplicaciones técnicas con ondas electromagnéticas.
Ya se trate de agua, luz o sonido, las ondas suelen propagarse de la misma manera hacia delante que hacia atrás. Por lo tanto, cuando hablamos con alguien que se encuentra a cierta distancia de nosotros, esa persona puede oírnos tan bien como nosotros a ella. Esto resulta útil durante una conversación, pero en algunas aplicaciones técnicas sería preferible que las ondas pudieran viajar solo en una 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 dirección de retroceso, pero también atenuaron las ondas que se propagaban hacia delante. Ahora, 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 de la EPFL, ha desarrollado un método para evitar que las ondas sonoras se propaguen hacia atrás sin perjudicar su propagación hacia delante. En el futuro, este método, que se ha publicado recientemente en la revista científica Nature Communications, también podría aplicarse a las ondas electromagnéticas.
La base de esta vía de sentido único para las ondas sonoras son las oscilaciones autónomas, 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. 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 que, en el peor de los casos, pueden destruir el motor.
Autooscilaciones inofensivas y útiles
Noiray tuvo la idea de utilizar oscilaciones aeroacústicas autosostenidas e inocuas para que las ondas sonoras pasen en una sola dirección y sin pérdidas a través de un llamado circulador. En su esquema, la atenuación inevitable de las ondas sonoras se compensa mediante las oscilaciones propias del circulador que se sincronizan con las ondas entrantes, lo que les permite obtener energía de dichas oscilaciones. El circulador en sí debía consistir en una cavidad en forma de disco a través de la cual se sopla aire en remolino desde un lado a través de una abertura en su centro. De este modo, para una combinación específica de velocidad de soplado e intensidad del remolino, se crea un sonido silbante en la cavidad. “A diferencia de los silbatos convencionales, en los que el sonido se crea mediante una onda estacionaria en la cavidad, en este nuevo silbato se produce a partir de una onda giratoria”, explica Tiemo Pedergnana, antiguo doctorando 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 ondas giratorias y luego le añadieron tres guías de ondas acústicas, que están dispuestas en forma triangular a lo largo del borde del circulador. Las ondas sonoras que entran a través de la primera guía de ondas pueden salir del circulador a través de la segunda. Sin embargo, una onda que entra a través de la segunda guía de ondas no puede salir “hacia atrás” a través de la primera, pero sí puede hacerlo a través de la tercera.
Las ondas sonoras como modelo de juguete
Durante varios años, los investigadores desarrollaron y modelaron teóricamente las distintas partes del circulador; ahora, por fin, podían demostrar experimentalmente que su método de compensación de pérdidas funciona. Enviaron una onda sonora con una frecuencia de alrededor de 800 hercios (aproximadamente la frecuencia g alta 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”) emergió 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”, afirma Noiray. Considera que su circulador de ondas sonoras es principalmente un modelo de juguete potente para el enfoque general de manipulación de ondas mediante autooscilaciones sincronizadas que se puede aplicar, por ejemplo, a los 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 pueden enrutar las señales en los futuros sistemas de comunicaciones.
Referencia
Pedergnana T, Faure-Beaulieu A, Fleury R et al. Dispersión no recíproca compensada por pérdida basada en sincronización. Nature Communications 15, 7436 (2024). doi: 10.1038/s41467’024 -51373-y
Oliver Morsch
