声波互易定理被打破 自动驾驶车辆通信得到改善

美国布法罗大学的研究人员打破了声波互易定理，让声波可以在发出与返回时不一致，或许可以改善自动驾驶汽车之间的通信。

盖世汽车讯 在物理学中，声波的前进方向与后退方向总是一致的，这很好，除非声波遇到障碍物（如摩天大楼、风、人），导致它们失去了能量。不过，如果能够打破该规则，在障碍物周围引导声波，或者让一个物体完全吸收特定方向的声波，将能够改变电子、光子和声学设备的设计和使用方式。

（图片来源：纽约州立大学布法罗分校）

据外媒报道，纽约州立大学布法罗分校（University at Buffalo）的工程师们就朝着这个方向迈出了一步，在一个称为“时空变化超材料”（spacetime-varying metamaterials）的新兴领域从事研究，工程师们已经演示了破坏声波的互易定理。

布法罗分校工程与应用科学学院机械与航空航天工程助理教授兼该项目的首席研究员Mostafa Nouh博士表示：“我们已经通过实验证明，在声波中打破材料特性随着时间和空间同时改变的互易定理是有可能的。”

为进行实验，Nouh与学生们打造了一个由普通热塑性塑料（丙烯腈丁二烯苯乙烯，ABS）条制成的横梁，而塑料条配有20个矩形铝制谐振器。

工程师们利用马达对每个谐振器进行编程，每四个谐振器成对排列，以45度角的间隔进行旋转。例如，第一个谐振器是0度，第二个是45度，第三个是135度。下一组的四个谐振器重复同样的模式，以此类推。

此种旋转既考虑到空间因素（45度角间隔），也考虑到时间因素（不同角度定向的毫秒数），因此得名为时空变化超材料。

当旋转的谐振器被激活后，会看起来其像汽车活塞一样旋转，而不是上下跳动。不过，旋转是为了改变横梁的“刚度”，即抵抗外力变形的能力。

在对该横梁进行测试之前，研究小组进行了计算机模拟，预测了在刚度快速变化的情况下，此种相互作用会被打破。换句话说，谐振器旋转得越快，破坏互易定理的可能性就越大。

因此，工程师们将马达的转速提高到了2000 rpm。为了验证该速度是否足够快，工程师们通过一个压电致动器将振动（声波）传送到该横梁中。Nouh和学生们使用了一台扫描激光多普勒测振仪以及一台热成像摄像头（确保温度的轻微波动不会影响到试验），发现声波返回到发出声波地点的模式与最初发出声波的过程大相径庭。

在另一项测试中，谐振器的转速仅为100 rpm，该横梁的刚度几乎没有变化。Nouh和学生们发现，声波返回到发出声波地点的模式与之前发出的方式一样，说明互易定理没有被打破。

以此种方式操纵声波，是首例概念证明，可能会有许多用途。例如，可以打造一堵墙，让声音可以轻易从某一个方向穿过，但是不能从相反的方向穿过；还可以改善自动驾驶汽车之间的通信方式；可以提高通过超声波进行医学成像的分辨率，因为此种医学成像通常会受到一种称为“反射伪影”现象的限制，可能导致医生误解图像。

不过，Nouh提醒表示，实验室成果还没有做好商业化的准备。例如，该团队制造的横梁很大，可能需要利用3D打印或其他纳米制造工具将其缩小。此外，该团队使用的材料升温过快，如果要解决该问题，可能需要采用更先进、更昂贵的材料。