Cientistas da ETH Zurich e da EPFL criam circulador acústico que guia o som em um só sentido

Pense em três pessoas reunidas em círculo de modo que, quando uma fala, apenas uma das outras consegue ouvir. Pesquisadores criaram um dispositivo que se comporta de forma parecida, fazendo com que as ondas sonoras se propaguem apenas em uma direção.

O aparelho foi desenvolvido por cientistas da ETH Zurich e do Instituto Federal Suíço de Tecnologia de Lausanne (EPFL). Ele consiste numa cavidade em formato de disco com três portas igualmente espaçadas, capazes de enviar ou receber som.

Como funciona o circulador acústico

Quando está inativo, o som emitido pela porta 1 chega às portas 2 e 3 com o mesmo volume. Além disso, parte das ondas retorna para a porta 1 na forma de eco.

Com o sistema em funcionamento, porém, a situação muda: somente a porta 2 “escuta” os sons que saem da porta 1.

O segredo é insuflar ar em rotação dentro da cavidade, com velocidade e intensidade bem definidas, o que permite que as ondas sonoras se sincronizem em um padrão repetitivo. Isso não apenas conduz as ondas em um único sentido, como também fornece energia adicional a essas oscilações para que elas não se dissipem. Em termos práticos, é como uma rotatória para o som.

Reciprocidade do som e por que quebrá-la

Assim como ondas de luz ou de água, as ondas sonoras em um meio comum são recíprocas: as oscilações se propagam para trás com a mesma facilidade com que avançam.

Em qualquer par emissor–receptor, dá para trocar os papéis e o funcionamento permanece equivalente. Voltando à analogia inicial, duas pessoas conversando no mesmo volume em uma sala, sem obstáculos entre elas, conseguem se ouvir com clareza porque as ondas sonoras viajam livremente nos dois sentidos.

Em alguns cenários, no entanto, pode ser útil tornar o som não recíproco, por exemplo quando é necessário suprimir ruído. Em 2014, pesquisadores da University of Texas at Austin desenvolveram um circulador acústico que usava pequenas ventoinhas para soprar ar através de um anel ressonante. Quando o som entrava por uma das três portas, as ondas deixavam de ser recíprocas e só podiam ser ouvidas em apenas uma das outras portas - não nas duas.

Havia um problema: ao longo do trajeto, o som se dissipava, enfraquecendo as ondas que chegavam ao destino. Foi para evitar essa perda de energia no percurso de mão única que a equipe da ETH Zurich buscou uma solução.

Oscilações autoalimentadas para compensar perdas

Neste novo arranjo, ar em redemoinho desce por um tubo e entra no anel pelo centro, fazendo o sistema assobiar. Esse assobio gera oscilações autoalimentadas na pressão acústica dentro da cavidade. Ao ajustar essas oscilações para a mesma frequência das ondas sonoras que entram no dispositivo, as ondas podem, de fato, ganhar energia - e assim deixam de enfraquecer.

A equipe construiu o circulador acústico e testou o projeto: enviou ondas sonoras com frequência de cerca de 800 Hz por um guia de ondas e mediu como elas chegavam aos outros dois.

Como esperado, quando as ondas alcançaram o segundo guia de ondas, não estavam mais fracas - pelo contrário, estavam mais fortes do que no momento da transmissão. No terceiro guia de ondas não foi detectado nenhum sinal sonoro, indicando que os dois objetivos foram atingidos.

De forma irónica, a ideia de usar oscilações para reforçar ondas sonoras surgiu a partir de pesquisas que buscavam reduzi-las. Oscilações que interagem com ondas sonoras podem prejudicar certos sistemas, como motores de aeronaves, mas Noiray percebeu que também seria possível aproveitá-las de maneira positiva.

Os cientistas afirmam que a técnica pode orientar o desenho de futuras tecnologias de comunicação. Novos metamateriais poderiam ser criados para manipular não apenas ondas sonoras, mas potencialmente ondas eletromagnéticas também.

"Esse conceito de propagação não recíproca de ondas com compensação de perdas é, na nossa visão, um resultado importante que também pode ser transferido para outros sistemas", afirma o pesquisador sénior Nicolas Noiray.

Segundo o grupo, o circulador acústico pode ajudar outros cientistas a estudar a propagação e a manipulação de ondas sonoras. A ideia geral ainda poderia ser aplicada para guiar ondas eletromagnéticas e melhorar sistemas de radar ou de comunicações.

A pesquisa foi publicada na revista Nature Communications.