Forscher gelingt es, Schall in eine einzige Richtung zu lenken

Ein unerwarteter Fortschritt im Umgang mit Schallwellen wurde erzielt. An der ETH Zürich haben Forscher eine Methode gefunden, Schallwellen in eine einzige Richtung zu lenken.


Normalerweise breiten sich Licht und Schallwellen multidirektional aus. Diese Eigenschaft ist für die Kommunikation nützlich, aber in einigen technischen Anwendungen wäre es vorteilhaft, wenn sich die Wellen nur in eine Richtung ausbreiten, um unerwünschte Reflexionen zu vermeiden.

Vor zehn Jahren gelang es Wissenschaftlern bereits, die rückwärtige Ausbreitung von Schallwellen zu stoppen, was jedoch auch ihre Vorwärtsbewegung abschwächte. Heute hat das Team unter der Leitung von Nicolas Noiray an der ETH Zürich in Zusammenarbeit mit Romain Fleury von der EPFL eine innovative Methode entwickelt, um die rückwärtige Schallausbreitung zu verhindern und gleichzeitig die Vorwärtsbewegung aufrechtzuerhalten.

Dieser Durchbruch basiert auf dem Konzept der Eigenschwingungen, einem Phänomen, bei dem ein dynamisches System sein Verhalten periodisch wiederholt. Nicolas Noiray, der einen Großteil seiner Karriere mit der Erforschung dieser Phänomene verbracht hat, entdeckte, dass diese Schwingungen auf kontrollierte Weise genutzt werden können, um es Schallwellen zu ermöglichen, sich nur in eine Richtung ohne Energieverlust fortzubewegen.

Das zentrale Gerät, ein Zirkulator, funktioniert mit einer scheibenförmigen Kavität, durch die ein wirbelnder Luftstrom strömt. Wenn die Luft mit einer bestimmten Geschwindigkeit eingeblasen wird, entsteht in der Kavität ein Pfeifton. Dieser Pfeifton wird jedoch durch eine drehende Welle und nicht durch eine stehende Welle erzeugt.

Nach Jahren theoretischer Modellierung und Entwicklung gelang es den Forschern, experimentell zu zeigen, dass ihr Ansatz funktioniert.

Als die Forscher eine Schallwelle von 800 Hertz in den ersten Wellenleiter des Geräts (das aus drei Wellenleitern besteht) einspeisten, konnte sich die Welle durch den Zirkulator bewegen und den zweiten Wellenleiter verlassen. Dieselbe Welle konnte jedoch ihren Weg nicht bis zum dritten Wellenleiter fortsetzen.

Diese Entdeckung könnte in Zukunft über einfache Schallwellen hinaus Anwendungen finden. Tatsächlich könnte diese Methode auf elektromagnetische Wellen übertragen werden, um das Management von Mikrowellen in Radarsystemen zu verbessern und neue topologische Schaltungen für die Kommunikation zu entwickeln.