Che si tratti di acqua, luce o suono: Le onde di solito viaggiano sia in avanti che all’indietro. Quindi, se stiamo parlando con qualcuno che si trova a una certa distanza da noi, questi può sentirci così come noi sentiamo lui. Questo è pratico per una conversazione, ma in alcune applicazioni tecniche sarebbe preferibile che le onde viaggiassero in una sola direzione, ad esempio per evitare riflessioni indesiderate di luce o microonde.
Questa strada a senso unico delle onde sonore si basa sulle auto-oscillazioni, in cui un sistema dinamico ripete periodicamente il suo comportamento. "Ho dedicato gran parte della mia carriera a cercare di prevenire questi fenomeni", spiega Noiray. Tra le altre cose, studia come le oscillazioni termoacustiche autosostenute possano sorgere nella camera di combustione di un motore aereo attraverso l’interazione tra le onde sonore e le fiamme, portando a vibrazioni pericolose. Nel peggiore dei casi, queste vibrazioni possono distruggere il motore.
Auto-oscillazioni innocue e utili
Noiray ha avuto l’idea di utilizzare oscillazioni aeroacustiche innocue e autosostenute per consentire alle onde di sovratensione di passare attraverso un cosiddetto circolatore in una sola direzione e senza perdite. L’inevitabile attenuazione delle onde sonore viene compensata sincronizzando le auto-oscillazioni nel circolatore con le onde incidenti, che possono così guadagnare energia dalle auto-oscillazioni. Il circolatore dovrebbe essere costituito da una cavità a forma di disco attraverso la quale viene soffiata aria vorticosa da un lato attraverso un’apertura al centro. A una certa combinazione di velocità di soffiaggio e intensità della turbolenza, nella cavità si genera un fischio. "A differenza dei fischi normali, in cui il suono è prodotto da un’onda stazionaria nella cavità, questo nuovo fischio lo produce da un’onda rotante", spiega Tiemo Pedergnana, ex dottorando del gruppo di ricerca di Noiray e primo autore dello studio.
Le onde sonore come modello illustrativo
Nel corso di diversi anni, i ricercatori hanno sviluppato e modellato teoricamente le varie parti del circolatore; ora sono finalmente riusciti a dimostrare con degli esperimenti che il loro approccio con compensazione delle perdite funziona. Hanno inviato un’onda sonora con una frequenza di circa 800 Hertz (all’incirca il sol acuto di un soprano) attraverso la prima guida d’onda del circolatore e ne hanno misurato la trasmissione alla seconda e alla terza guida d’onda. Come previsto, l’onda sonora non ha raggiunto la terza guida d’onda. Al contrario, dalla seconda guida d’onda è emersa un’onda sonora (in direzione di marcia) ancora più forte di quella originariamente immessa."Questo concetto di propagazione non reciproca delle onde con compensazione delle perdite è, dal nostro punto di vista, un risultato importante che può essere trasferito ad altri sistemi", afferma Noiray. Egli vede il suo circolatore di onde sonore soprattutto come un modello illustrativo dell’approccio generale alla manipolazione delle onde mediante auto-oscillazioni sincronizzate, che può essere applicato, ad esempio, ai metamateriali per le onde elettromagnetiche. Ciò potrebbe essere utilizzato per guidare meglio le microonde nei sistemi radar, ad esempio, e per realizzare i cosiddetti circuiti topologici che possono essere utilizzati per guidare i segnali nei futuri sistemi di comunicazione.
