Einbahnstrasse für Schallwellen

Ob es sich um Wasser, Licht oder Schall handelt: Wellen breiten sich f¨¹r gew?hnlich vorw?rts genauso aus wie r¨¹ckw?rts. Wenn wir also mit jemandem reden, der in einiger Entfernung von uns steht, so kann derjenige uns ebenso gut h?ren wie wir ihn. Bei einer Unterhaltung ist das praktisch, aber in manchen technischen Anwendungen h?tte man es lieber, wenn die Wellen nur in eine Richtung wandern k?nnten ¨C zum Beispiel, um ungew¨¹nschte Reflektionen von Licht- oder Mikrowellen zu verhindern.

F¨¹r Schallwellen gelang es Wissenschaftler:innen vor zehn Jahren, deren Ausbreitung in die R¨¹ckw?rtsrichtung zu unterdr¨¹cken; allerdings wurden dadurch auch die vorw?rts laufenden Wellen abgeschw?cht. Ein Team von Forschenden der ETH Z¨¹rich um Nicolas Noiray, Professor f¨¹r Verbrennung, Akustik und Str?mungsphysik, hat nun in Zusammenarbeit mit Romain Fleury von der EPFL ein Verfahren entwickelt, mit dem Schallwellen am R¨¹ckw?rtslaufen gehindert werden k?nnen, ohne dass die Ausbreitung in der Vorw?rtsrichtung darunter leidet. Die Methode, die soeben im Fachjournal externe Seite Nature Communications ver?ffentlicht wurde, k?nnte in Zukunft auch auf elektromagnetische Wellen angewendet werden.

Grundlage dieser Schallwellen-Einbahnstrasse sind Selbstoszillationen, bei denen ein dynamisches System sein Verhalten periodisch wiederholt. ?Eigentlich habe ich einen Grossteil meiner Karriere darauf verwendet, solche Ph?nomene zu verhindern?, sagt Noiray. Unter anderem untersucht er, wie in der Brennkammer eines Flugzeugtriebwerks durch das Wechselspiel zwischen Schallwellen und Flammen selbsterhaltende thermoakustische Oszillationen entstehen k?nnen, die zu gef?hrlichen Vibrationen f¨¹hren. Im schlimmsten Fall k?nnen diese Vibrationen das Triebwerk zerst?ren.

Harmlose und n¨¹tzliche Selbstoszillationen

Noiray hatte die Idee, harmlose selbsterhaltende aeroakustische Oszillationen daf¨¹r zu verwenden, Schwallwellen nur in eine Richtung und ohne Verluste durch einen so genannten Zirkulator passieren zu lassen. Dabei wird die unvermeidbare Abschw?chung der Schallwellen dadurch kompensiert, dass die Selbstoszillationen im Zirkulator mit den einfallenden Wellen synchronisiert werden, welche dadurch Energie aus den Selbstoszillationen gewinnen k?nnen. Der Zirkulator sollte dabei aus einem scheibenf?rmigen Hohlraum bestehen, durch den von einer Seite aus durch eine ?ffnung in der Mitte verwirbelte Luft geblasen wird. Bei einer bestimmten Kombination aus Blasgeschwindigkeit und Intensit?t der Verwirbelung wird dadurch im Hohlraum ein Pfeifton erzeugt. ?Im Gegensatz zu normalen Pfeifen, bei denen der Ton durch eine stehende Welle im Hohlraum zustande kommt, entsteht er bei dieser neuen Pfeife durch eine rotierende Welle?, erkl?rt Tiemo Pedergnana, ehemaliger Doktorand in Noirays Arbeitsgruppe und Erstautor der Studie.

Von der Idee bis zum Experiment dauerte es einige Zeit: Zun?chst untersuchten Noiray und seine Mitarbeitenden die Fluidmechanik der Pfeife mit den rotierenden Wellen und f¨¹gten dann drei akustische Wellenleiter hinzu, die dreiecksf?rmig am Rand des Zirkulators angeordnet sind. Die durch den ersten Wellenleiter eingespeisten Schallwellen k?nnen den Zirkulator durch einen zweiten Wellenleiter verlassen. Eine durch den zweiten Wellenleiter eintretende Welle dagegen kann nicht r¨¹ckw?rts durch das erste Loch austreten, wohl aber durch den dritten Wellenleiter.

Schallwellen als Anschauungsmodell

?ber mehrere Jahre entwickelten und modellierten die ETH-Forschenden theoretisch die verschiedenen Teile des Zirkulators; nun konnten sie im Experiment endlich zeigen, dass ihr verlustkompensierter Ansatz funktioniert. Durch den ersten Wellenleiter des Zirkulators schickten sie eine Schallwelle mit einer Frequenz von etwa 800 Hertz (in etwa das hohe g eines Soprans) und massen, wie gut diese zum zweiten und dritten Wellenleiter ¨¹bertragen wurde. Wie erwartet, kam die Schallwelle am dritten Wellenleiter nicht an. Aus dem zweiten Wellenleiter (in der Vorw?rtsrichtung) dagegen trat eine Schallwelle aus, die sogar st?rker war als die urspr¨¹nglich eingespeiste.

?Dieses Konzept f¨¹r verlustkompensierte nicht-reziproke Wellenausbreitung ist, aus unserer Sicht, ein wichtiges Ergebnis, das sich auch auf andere Systeme ¨¹bertragen l?sst?, sagt Noiray. Er sieht seinen Schallwellen-Zirkulator haupts?chlich als starkes Anschauungsmodell f¨¹r den generellen Ansatz der Wellenmanipulation mithilfe synchronisierter Selbstoszillationen, der beispielsweise auf Metamaterialien f¨¹r elektromagnetische Wellen angewendet werden kann. Damit k?nnten dann etwa Mikrowellen in Radarsystemen besser geleitet und so genannte topologische Schaltkreise realisiert werden, mit denen in k¨¹nftigen Kommunikationssystemen Signale geleitet werden k?nnen.