Físicos Criam Ondas Sonoras que se Movem Exclusivamente em Uma Direção

Auto-oscilações (vermelha e azul) guiam ondas sonoras (verde, laranja, roxa) em apenas uma direção através do circulador. (Xin Zou)

Imagine três pessoas dispostas em círculo, onde cada uma pode ouvir diretamente apenas outra pessoa. Cientistas criaram um dispositivo que direciona ondas sonoras exatamente dessa maneira, permitindo que elas viajem apenas em uma única direção.

Desenvolvido por pesquisadores do ETH Zurich e do Instituto Federal Suíço de Tecnologia em Lausanne, o dispositivo consiste em uma cavidade em formato de disco com três portas igualmente espaçadas, que podem tanto enviar quanto receber som. No estado inativo, o som emitido de uma porta alcança as outras duas com o mesmo volume, criando ecos. No entanto, quando ativado, o som da porta 1 chega apenas à porta 2, graças a um fluxo de ar que gira na cavidade a uma velocidade específica. Esse fluxo de ar alinha as ondas sonoras em um padrão unidirecional, evitando sua dispersão — como uma “rotatória” para o som.

Os pesquisadores acreditam que essa abordagem pode inspirar novas tecnologias em comunicações e materiais, com potencial impacto no controle de ondas eletromagnéticas. “Esse conceito de viagem de ondas controlada e unidirecional é uma descoberta importante que pode ser aplicada em outros sistemas”, afirma o pesquisador sênior Nicolas Noiray. Normalmente, as ondas sonoras em um meio comum são recíprocas, o que significa que podem se mover igualmente em ambas as direções. Esse novo método quebra essa simetria, abrindo possibilidades para a propagação de ondas em uma única direção.

Às vezes, fazer com que o som viaje em apenas uma direção — como para redução de ruído — pode ser muito útil. Em 2014, pesquisadores da Universidade do Texas em Austin desenvolveram um circulador acústico usando ventiladores para soprar ar através de um anel ressonante. Esse arranjo direcionava o som para uma única porta, tornando-o não recíproco. No entanto, as ondas sonoras perdiam energia ao longo do trajeto.

Design do Circulador Acústico do ETH Zurich Aumenta as Ondas Sonoras para Transmissão Unidirecional

Esquerda: A configuração experimental. Direita: Um diagrama do circulador, com setas indicando a direção única das ondas sonoras. (Nicolas Noiray/ETH Zurich)

Para resolver essa questão, pesquisadores do ETH Zurich projetaram um circulador acústico que impede essa perda de energia. Nesse design, o ar gira no anel a partir do centro, criando oscilações na cavidade que se alinham com as ondas sonoras que chegam. Esse ajuste permite que as ondas ganhem energia, chegando mais fortes ao seu destino, sem enfraquecer.

Testando o design, a equipe enviou ondas sonoras de 800 Hz através de um guia de ondas e mediu a saída em outros dois. As ondas chegaram mais intensas ao segundo guia, enquanto nenhuma onda alcançou o terceiro, conseguindo assim tanto o controle direcional quanto a preservação de energia.

Curiosamente, esse conceito de amplificação de energia surgiu a partir de pesquisas sobre a redução de oscilações, que podem ser prejudiciais em sistemas como motores de aeronaves. Agora, essa tecnologia pode avançar estudos de manipulação de ondas sonoras e até mesmo ser aplicada a ondas eletromagnéticas para melhorar sistemas de radar e comunicação.

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