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EL OCCIPITAL DE EINSTEIN (CIENCIA)

El sonido sigue una sola dirección

Jesús Madrigal Melchor y Raúl Alberto Reyes Villagrana

El sonido sigue una sola dirección

Aislar del sonido hospitales, zonas residenciales, salas de conferencias, u otros lugares, siempre ha sido un problema a resolver. Hasta ahora no ha sido posible del todo; sin embargo, con el estudio de metamateriales, un dispositivo, que permite que las ondas de sonido pasen en una sola dirección, ha sido construido por investigadores en los Estados Unidos, en la universidad de Texas.

El aislante o “circulación en un solo sentido” para ondas de sonido muestra que la simetría fundamental con la cual ondas acústicas viajan a través del aire entre dos puntos en el espacio puede ser rota por un dispositivo simple y compacto.

Si bien hay formas en que se pueden restringir o permitir el flujo regular en una dirección determinada —como el tráfico en una calle en un solo sentido— es mucho más difícil hacerlo con ondas de luz o de sonido. Esto se debe principalmente al teorema de reciprocidad, el cual se refiere a la transmisión simétrica de ondas entre dos puntos en el espacio: sin importar la dirección en la que estén viajando, las ondas que son idénticas y que pasan por el mismo medio deben comportarse de la misma manera. Por lo tanto, ésta es la reciprocidad que hay que superar para desarrollar un sistema verdaderamente no recíproco o de un solo sentido, tal como un espejo unidireccional real. Actualmente, estos espejos unidireccionales no son, de hecho, no-recíprocos, sino que son parcialmente reflectantes y parcialmente transparentes.

Anillo resonante

Para superar el problema de la reciprocidad, Andrea Alù de la Universidad de Texas y sus colegas han construido un dispositivo que permite el flujo unidireccional de sonido. Su dispositivo se basa en un circulador electrónico —la forma normalmente utilizada en los dispositivos de comunicación y radares. Este tipo de circulador es un “dispositivo de tres puertos no-reciproco”, en el que las microondas o las señales de radio se transmiten de un puerto a otro de una manera secuencial. Si uno de los puertos no está en uso, el circulador empieza a actuar como un aislante, permitiendo que las señales fluyan de un puerto a otro, pero no hacía atrás.

En su experimento, los investigadores utilizaron tres pequeños ventiladores de ordenadores para hacer circular aire a una velocidad específica en una cavidad acústica de anillo-resonante. El anillo estaba conectado con los tres puertos del circulador y se colocaron micrófonos al final de cada uno de ellos. Los investigadores comenzaron su experimento  transmitiendo sonido desde un puerto. Si los ventiladores se desconectaban, la señal de sonido desde el primer puerto se dividía simétricamente en los dos puertos restantes, como se esperaba. Sin embargo, cuando los ventiladores estaban encendidos y había un flujo moderado de aire en el anillo (con su velocidad adaptada al diseño del anillo), el equipo encontró que la simetría de transmisión se había roto.

En este caso, la señal acústica desde el primer puerto fluia por completo hacía el siguiente, dejando al tercer puerto completamente aislado. Del mismo modo, cuando la señal se enviaba desde el segundo puerto, fluía hacia el tercero, quedando el primer puerto aislado y así sucesivamente. De hecho, las señales fluyen desde el primero al segundo, desde el segundo al tercero y del tercero al primer puerto, pero nunca en las direcciones opuestas. “Hemos sido capaces de realizar una comunicación de una sola dirección para sonido que viaja por el aire”, dice Alù. “Imagine que es capaz de escuchar sin tener que preocuparse de ser escuchado”.

El equipo observó hasta 40dB de aislamiento no-recíproco de sonido en frecuencias audibles. “Es justo el giro correcto del flujo (de aire) acoplado con la amplitud de resonancia de nuestra cavidad de anillo que hace que nuestro diseño sea de gran alcance”, explica Alù. En pocas palabras, el equipo encontró que, para una velocidad del aire y diseño de la cavidad, el movimiento circular provoca una separación de ciertos modos de resonancia en el sonido y una “no- reciprocidad gigante vía la interferencia modal” es inducida. “Estos dos mecanismos combinados generan una fuerte no-reciprocidad en un dispositivo compacto. Las ondas de sonido se encaminan en una sola dirección, siempre contrario a la dirección del flujo de aire”, dice Alú.

La variación de las frecuencias

Romain Fleury, un estudiante de doctorado en el grupo de Alù, también señala que el “camino de un solo sentido para el sonido” o de circulación, transmite ondas de una manera lineal y sin distorsiones. Los investigadores creen que el diseño básico para su circulador de sonido es fácilmente escalable a diferentes frecuencias acústicas y han solicitado una patente provisional sobre el dispositivo. El equipo también dice que la construcción con éxito de un dispositivo de circulación de sonido no-recíproco puede conducir a avances en el control del ruido, el nuevo equipo acústico para sonares y sistemas de comunicación de sonido, aisladores de sonido y mejores componentes compactos de imágenes acústicas y de detección.

“En términos más generales, nuestro trabajo demuestra un nuevo mecanismo físico que rompe la simetría de inversión temporal y subsecuentemente induce la transmisión no-recíproca de ondas, abriendo posibilidades importantes en las aplicaciones futuras en acústica”, menciona Alù. También explica que las investigaciones del equipo podría ayudar en el desarrollo de circuladores electrónicos más pequeños y más baratos y en otros componentes electrónicos para dispositivos inalámbricos que incluso puede ser aplicados al diseño de canales de comunicación en un solo sentido para la luz. El equipo ahora está trabajando en un diseño para el circulador de sonido que no requiere de partes móviles.

Como se puede observar cada vez se está más cerca de construir un aislante de sonida a gran escala.

Esta investigación fue publicada en Science.

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