聲波互易定理被打破 自動(dòng)駕駛車輛通信得到改善

美國布法羅大學(xué)的研究人員打破了聲波互易定理，讓聲波可以在發(fā)出與返回時(shí)不一致，或許可以改善自動(dòng)駕駛汽車之間的通信。

蓋世汽車訊 在物理學(xué)中，聲波的前進(jìn)方向與后退方向總是一致的，這很好，除非聲波遇到障礙物（如摩天大樓、風(fēng)、人），導(dǎo)致它們失去了能量。不過，如果能夠打破該規(guī)則，在障礙物周圍引導(dǎo)聲波，或者讓一個(gè)物體完全吸收特定方向的聲波，將能夠改變電子、光子和聲學(xué)設(shè)備的設(shè)計(jì)和使用方式。

（圖片來源：紐約州立大學(xué)布法羅分校）

據(jù)外媒報(bào)道，紐約州立大學(xué)布法羅分校（University at Buffalo）的工程師們就朝著這個(gè)方向邁出了一步，在一個(gè)稱為“時(shí)空變化超材料”（spacetime-varying metamaterials）的新興領(lǐng)域從事研究，工程師們已經(jīng)演示了破壞聲波的互易定理。

布法羅分校工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院機(jī)械與航空航天工程助理教授兼該項(xiàng)目的首席研究員Mostafa Nouh博士表示：“我們已經(jīng)通過實(shí)驗(yàn)證明，在聲波中打破材料特性隨著時(shí)間和空間同時(shí)改變的互易定理是有可能的?！?/p>

為進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，Nouh與學(xué)生們打造了一個(gè)由普通熱塑性塑料（丙烯腈丁二烯苯乙烯，ABS）條制成的橫梁，而塑料條配有20個(gè)矩形鋁制諧振器。

工程師們利用馬達(dá)對每個(gè)諧振器進(jìn)行編程，每四個(gè)諧振器成對排列，以45度角的間隔進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。例如，第一個(gè)諧振器是0度，第二個(gè)是45度，第三個(gè)是135度。下一組的四個(gè)諧振器重復(fù)同樣的模式，以此類推。

此種旋轉(zhuǎn)既考慮到空間因素（45度角間隔），也考慮到時(shí)間因素（不同角度定向的毫秒數(shù)），因此得名為時(shí)空變化超材料。

當(dāng)旋轉(zhuǎn)的諧振器被激活后，會(huì)看起來其像汽車活塞一樣旋轉(zhuǎn)，而不是上下跳動(dòng)。不過，旋轉(zhuǎn)是為了改變橫梁的“剛度”，即抵抗外力變形的能力。

在對該橫梁進(jìn)行測試之前，研究小組進(jìn)行了計(jì)算機(jī)模擬，預(yù)測了在剛度快速變化的情況下，此種相互作用會(huì)被打破。換句話說，諧振器旋轉(zhuǎn)得越快，破壞互易定理的可能性就越大。

因此，工程師們將馬達(dá)的轉(zhuǎn)速提高到了2000 rpm。為了驗(yàn)證該速度是否足夠快，工程師們通過一個(gè)壓電致動(dòng)器將振動(dòng)（聲波）傳送到該橫梁中。Nouh和學(xué)生們使用了一臺(tái)掃描激光多普勒測振儀以及一臺(tái)熱成像攝像頭（確保溫度的輕微波動(dòng)不會(huì)影響到試驗(yàn)），發(fā)現(xiàn)聲波返回到發(fā)出聲波地點(diǎn)的模式與最初發(fā)出聲波的過程大相徑庭。

在另一項(xiàng)測試中，諧振器的轉(zhuǎn)速僅為100 rpm，該橫梁的剛度幾乎沒有變化。Nouh和學(xué)生們發(fā)現(xiàn)，聲波返回到發(fā)出聲波地點(diǎn)的模式與之前發(fā)出的方式一樣，說明互易定理沒有被打破。

以此種方式操縱聲波，是首例概念證明，可能會(huì)有許多用途。例如，可以打造一堵墻，讓聲音可以輕易從某一個(gè)方向穿過，但是不能從相反的方向穿過；還可以改善自動(dòng)駕駛汽車之間的通信方式；可以提高通過超聲波進(jìn)行醫(yī)學(xué)成像的分辨率，因?yàn)榇朔N醫(yī)學(xué)成像通常會(huì)受到一種稱為“反射偽影”現(xiàn)象的限制，可能導(dǎo)致醫(yī)生誤解圖像。

不過，Nouh提醒表示，實(shí)驗(yàn)室成果還沒有做好商業(yè)化的準(zhǔn)備。例如，該團(tuán)隊(duì)制造的橫梁很大，可能需要利用3D打印或其他納米制造工具將其縮小。此外，該團(tuán)隊(duì)使用的材料升溫過快，如果要解決該問題，可能需要采用更先進(jìn)、更昂貴的材料。