Diodo sônico: Uma rua de mão única para as ondas sonoras

Redação do Site Inovação Tecnológica - 16/09/2024

Esquema do diodo acústico: auto-oscilações (azul-vermelho) fazem com que as ondas sonoras (verde, laranja, violeta) viajem apenas através do circulador.
[Imagem: Xin Zou]

Diodo sônico

Seja ondas de água, de luz, de som, ou mesmo os elétrons, as ondas geralmente se propagam da mesma forma para frente e para trás. Por causa disso, devemos toda a nossa tecnologia eletrônica a um componente muito simples, chamado diodo, que garante que a eletricidade vá fluir apenas numa direção determinada - elimine esse controle e você não consegue construir um circuito eletrônico.

Mas fazer o mesmo com as ondas de som pode ter uma utilidade quase na mesma escala, permitindo criar de bloqueadores de ruídos e escudos à prova de som até novos mecanismos de geração de energia.

Pouco mais de uma década atrás, pesquisadores conseguiram finalmente construir um diodo acústico, mas todas as versões construídas até agora sofriam de um problema sério: suprimir a propagação das ondas sonoras na direção reversa também resulta no enfraquecimento das ondas que viajam para a frente.

Agora, Tiemo Pedergnana e colegas da Escola Politécnica Federal de Lausanne (EPFL) e do Instituto Federal Suíço de Tecnologia (ETH), conseguiram finalmente desenvolver um método para evitar que as ondas sonoras viajem para trás sem deteriorar sua propagação para frente.

A expectativa é que essa inovação não apenas deslanche os tão esperados usos da tecnologia sônica, mas também possa ser aplicado a ondas eletromagnéticas.

Protótipo do diodo sônico e dinâmica do fluxo de ar em seu interior.
[Imagem: Nicolas Noiray / ETH Zurich]

Oscilações autossustentáveis

A base dessa via de mão única para ondas sonoras são as auto-oscilações, nas quais um sistema dinâmico repete periodicamente seu comportamento.

E tudo começou bem longe, conforme a equipe estudava como oscilações termoacústicas autossustentáveis podem surgir da interação entre ondas sonoras e chamas na câmara de combustão de um motor de avião, o que pode levar a vibrações perigosas - no pior dos casos, essas vibrações podem destruir o motor.

Foi quando a equipe teve a ideia de usar oscilações aeroacústicas autossustentáveis inofensivas para permitir que as ondas sonoras passem apenas em uma direção e sem perdas através de um componente chamado circulador. A vantagem é que a atenuação das ondas sonoras, antes inevitável, é compensada quando as auto-oscilações no circulador sincronizam-se com as ondas de entrada, o que permite ganhar energia dessas oscilações.

O circulador consiste em uma cavidade em forma de disco através da qual o ar em turbilhão é soprado de um lado através de uma abertura em seu centro. Para uma combinação específica de velocidade de sopro e intensidade do turbilhão, cria-se um som de assobio na cavidade. "Em contraste com os apitos comuns, nos quais o som é criado por uma onda estacionária na cavidade, neste novo apito ele resulta de uma onda giratória," explicou Pedergnana.

Mas não foi o bastante. A equipe precisou estudar detalhadamente a mecânica dos fluidos do apito de onda giratório e, então, descobriu que era preciso adicionar três guias de onda acústica, que são dispostos em um formato triangular ao longo da borda do circulador. As ondas sonoras que são alimentadas através do primeiro guia de onda podem deixar o circulador através do segundo guia de onda. No entanto, uma onda que entra através do segundo guia de onda não consegue sair "para trás" através do primeiro guia de onda, mas pode sair através do terceiro guia de onda.

Esquema do diodo para ondas sonoras.
[Imagem: Tiemo Pedergnana et al. - 10.1038/s41467-024-51373-y]

Múltiplas aplicações

No protótipo desenvolvido pela equipe, quando uma onda sonora com uma frequência de cerca de 800 Hertz (aproximadamente o som alto de uma soprano) é enviada através do primeiro guia de ondas, a onda sonora não chega ao terceiro guia de ondas. Do segundo guia de ondas (na direção "para frente"), no entanto, emerge uma onda sonora que é ainda mais forte do que a enviada originalmente - uma amplificação, em vez de uma perda.

"Este conceito de propagação de onda não recíproca com compensação de perdas é, em nossa opinião, um resultado importante, que também pode ser transferido para outros sistemas," disse o professor Nicolas Noiray.

Por enquanto, a equipe está encarando seu circulador de ondas sonoras como um modelo de teste para a abordagem geral da manipulação de ondas usando auto-oscilações sincronizadas. Mas elas podem, por exemplo, ser aplicadas a metamateriais criados para operar com ondas eletromagnéticas.

Pensando em aplicações práticas, as micro-ondas de um sistema de radar poderiam ser melhor guiadas, e os chamados circuitos topológicos poderiam tornar-se realidade - os isolantes topológicos são promissores para uma série quase inumerável de tecnologias, entre as quais o roteamento de dados em futuros sistemas de comunicação, os componentes fonônicos e a emergente foxônica.

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