Geluid dat zich gedraagt als eenrichtingsverkeer. Dankzij een nieuwe technologie kunnen geluidsgolven wel de ene kant op bewegen, maar niet de andere kant op. Onderzoekers maakten hiervoor gebruik van laser die de een geluidsgolf in een membraan versterkt of verzwakt, afhankelijk van de beweegrichting.
Stel je voor: precies kunnen horen wat de mensen in de kamer naast je zeggen, zonder dat zij de herrie die jij maakt kunnen horen. Het is alsof je van een muur een eenrichtingsweg maakt.
‘Ik probeer robots te ontwikkelen die ook echt een nieuwe stap maken’
Hoe werkt vliegen? Dat lijkt een simpele vraag, maar voor luchtvaarttechnicus en bioloog David Lentink is het een levenslange zoektocht.
Maar geluid is minder makkelijk te sturen dan verkeer. Dat komt door een eigenschap genaamd reciprociteit. In het geval van geluidsgolven betekent het dat een signaal op dezelfde manier van de ene (A) naar de andere kant (B) doorgegeven wordt als van B naar A. Dus als een signaal onderweg van A naar B gestopt wordt, dan gebeurt dat ook als het van B naar A gaat.
Klankkasten
De opstelling van de Amerikaanse onderzoekers bestond niet uit twee kamers, maar uit kleine, akoestische resonatoren. Dat zijn een soort klankholtes, zoals de klankkast van een gitaar, waarin bepaalde tonen (golflengtes) versterkt worden.
De resonatoren in het experiment zijn flexibele membranen die kunnen trillen. Net als bij een touw dat aan twee kanten vastgehouden wordt, past er van bepaalde golflengtes een exact aantal golven in het membraan.
Voor hun opstelling plaatsten de onderzoekers de membranen tussen twee spiegels. Laserlicht dat gevangen raakt tussen die twee spiegels beweegt keer op keer door dat membraan heen. Hoewel licht geen massa heeft, heeft het genoeg energie om het membraan telkens een zetje te geven. Doordat het licht heen en weer kaatst tussen de spiegels bouwt de kracht van het licht op. Die lichtkracht beïnvloedt de vibraties van het membraan en dus de geluidsgolven erin.
Door de instellingen van de laser (en dus de lichtkracht) te variëren kan je controleren hoe het membraan reageert op een inkomende geluidsgolftrillingen. Daarmee kan gestuurd worden dat het membraan anders reageert op een golf van de ene kant dan op een golf van de andere kant. Zo wordt de reciprociteit gebroken en kunnen de onderzoekers geluid afzwakken of bijna helemaal uitdoven. In het experiment konden ze de sterkte van geluid met een factor 1.000 (30 decibel) verminderen.
Kou controleren
Zowel geluid als warmtestromingen zijn trillingen van de moleculen in een ruimte of in een stof. Daarom pasten de onderzoekers dezelfde techniek toe op de warmtestroming van een membraan naar een andere. Ook deze stroom bleek zo te manipuleren dat het wel de ene, maar niet de andere kant op stroomt. Ongeacht welke kant warmer was.
‘Het is alsof je ijsklontjes in een glas warm water laat vallen en de ijsklontjes kouder en kouder laat worden terwijl het water warmer en warmer wordt’, zegt Jack Harris van Yale University in de Verenigde Staten. ‘Door onze laser aan te passen laten we de warmte weer de gewone kant op stromen. Dan warmen de ijsklontjes langzaam op en smelten ze, terwijl het water een beetje afkoelt.’
Deze membraanexperimenten zijn niet eenvoudig te vertalen naar het formaat van een koelkast of een kamer. Maar ook op deze kleine schaal hebben ze nut. Zo worden kleine akoestische resonatoren gebruikt in geluidsboxen om de frequentie (of toonhoogte) van geluid aan te passen. Ook kunnen ze dienen als sensor doordat ze gevoelig zijn voor bepaalde trillingen.