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)出與返回時不一致，或許可以改善自動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方向邁出了一步，在一個稱為“時空變化超材料”（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)院機械與航空航天工程助理教授兼該項目的首席研究員Mostafa Nouh博士表示：“我們已經(jīng)通過實驗證明，在聲波中打破材料特性隨著時間和空間同時改變的互易定理是有可能的。”

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

工程師們利用馬達(dá)對每個諧振器進(jìn)行編程，每四個諧振器成對排列，以45度角的間隔進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。例如，第一個諧振器是0度，第二個是45度，第三個是135度。下一組的四個諧振器重復(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），也考慮到時間因素（不同角度定向的毫秒數(shù)），因此得名為時空變化超材料。

當(dāng)旋轉(zhuǎn)的諧振器被激活后，會看起來其像汽車活塞一樣旋轉(zhuǎn)，而不是上下跳動。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)行了計算機模擬，預(yù)測了在剛度快速變化的情況下，此種相互作用會被打破。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。為了驗證該速度是否足夠快，工程師們通過一個壓電致動器將振動（聲波）傳送到該橫梁中。Nouh和學(xué)生們使用了一臺掃描激光多普勒測振儀以及一臺熱成像攝像頭（確保溫度的輕微波動不會影響到試驗），發(fā)現(xiàn)聲波返回到發(fā)出聲波地點的模式與最初發(fā)出聲波的過程大相徑庭。

在另一項測試中，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方向穿過，但是不能從相反的方向穿過；還可以改善自動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，因為此種醫(yī)學(xué)成像通常會受到一種稱為“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，實驗室成果還沒有做好商業(yè)化的準(zhǔn)備。例如，該團(tuán)隊制造的橫梁很大，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。