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Störung hilft, Wellen in der Zeitumkehrakustik zu "hyperfokussieren"

Mit diesem Phononenkristall stellten die Physiker fest, dass ein Medium mit einer geordneten Gitteranordnung eine bessere zeitliche Komprimierung (das an der ursprünglichen Quelle aufgezeichnete Signal) aufweist als ein ungeordnetes Medium in zeitlich umgekehrt abklingenden Schallwellen. Eine bessere Zeitkomprimierung liefert eine genauere Annäherung an den ursprünglichen Klang. Bildnachweis: A. Tourin et al.

Für jeden Schallstoß muss es einen Schall geben, der nach der Theorie der Zeitumkehrakustik rückwärts stößt. Durch die Entdeckung einiger überraschender Merkmale von Medien und Frequenzen haben Wissenschaftler Einblicke in die akustische Zeitumkehr erhalten, die sich auf Anwendungen wie das Senden vertraulicher Nachrichten in der Kryptographie auswirken können.

Die zeitlich umgekehrte Fokussierung basiert auf der Tatsache, dass Wellenlängen ihre Bahnen zurückverfolgen, wenn eine Welle in der Zeit zurückgespielt wird. Obwohl die Überlappung theoretisch genau sein sollte, können die tatsächlichen Zeitumkehrspiegel (Time Reversal Mirrors, TRMs), die die Wellen wiedergeben, nicht jede Frequenz der ursprünglichen Welle "erfassen". Wissenschaftler wissen, dass einige Medien eine akustische Zeitumkehr mit höherer Auflösung als andere Medien ermöglichen, und kürzlich haben Physiker der Universität Paris entdeckt, wie ungeordnete und geordnete Medien diese Auflösung beeinflussen.

In einer in Physical Review Letters veröffentlichten Studie haben die Physiker A. Tourin, F. Van Der Biest und M. Fink herausgefunden, dass Schallwellen, die sich durch ein ungeordnetes Medium bewegen, sich mit hoher Präzision konzentrieren können, Wellen, die sich durch ein geordnetes Medium bewegen, jedoch nicht die gleiche Fähigkeit zu fokussieren. Das Team war auch überrascht festzustellen, dass ein geordnetes Medium für eine bestimmte Art von Welle, die als abklingende Wellen bezeichnet wird, eine bessere zeitliche Komprimierung aufweist als ein ungeordnetes Medium.

Diese Skizze zeigt, wie ein ungeordnetes Medium Schallwellen „hyperfokussieren“ kann - etwas, was ein geordnetes Medium nicht kann. Ein ungeordnetes Medium wirkt wie eine akustische Linse, deren Heterogenitäten Schallwellen brechen, indem sie ansonsten verlorene Wellenfrequenzen (rote Pfeile) in Richtung des Zeitumkehrspiegels (TRM) streuen und lenken. In einem geordneten Medium hingegen werden die Wellenfrequenzen nicht gestreut (blaue Pfeile) und daher werden nur diejenigen empfangen, die bereits in Richtung TRM weisen. Bildnachweis: A. Tourin et al.

Das Team verwendete ein TRM, das aus einer Anordnung von 41 Wandlern bestand, die die ursprünglichen Wellen aufzeichneten und die Wellen dann zurück zur Quelle fokussierten. Die Wandler spielen die Rolle von Mikrofonen und Lautsprechern, da sie als „reversible“ Geräte fungieren.

"Der Begriff" Zeitumkehr "besagt, dass das vom TRM erfasste und in elektronischen Speichern gespeicherte Signal in umgekehrter Reihenfolge gelesen wird, bevor es zurückgesendet wird", sagte Tourin gegenüber PhysOrg.com .

Obwohl die 41 Wandler versuchen, so viele der ursprünglichen Wellen wie möglich in einem phononischen (vibrierenden) Kristall zu erfassen, rutschen mehrere Frequenzen durch die Risse, was die räumliche Fokussierung für die Rückwellen verringert. Manchmal können Frequenzen, die normalerweise nicht durch die TRM gehen, von einem Medium mit großen Aperturen und erheblichen Störungen auf den Spiegel gerichtet werden.

In diesem Fall streuen die Stäbe, wenn die 41 Wandler versuchen, Wellen einzufangen, die sich durch ein Medium aus Stahlstäben ausbreiten, die zufällig in Wasser angeordnet sind, und lenken ansonsten verlorene Frequenzen in einen der Wandler um. Die Fähigkeit, diese fehlgeleiteten Frequenzen abzufangen, wird als "Hyperfokussierung" bezeichnet. Als die Physiker eine Zeitumkehr in einem phononischen Kristall beobachteten, beobachteten sie den Hyperfokussierungseffekt jedoch nicht.

"Dies ist das erste Mal, dass ein Zeitumkehr-Experiment mit einem Phononischen Kristall durchgeführt wurde, dh einem perfekt geordneten Material", sagte Tourin. "Der Vergleich zwischen einem phononischen Kristall und einem ungeordneten Medium zeigt, dass die Störung eine eindeutige Rolle beim sogenannten" Hyperfokussierungseffekt "spielt."

Das Physikerteam analysierte auch die Zeitumkehrungseigenschaften kurzlebiger evaneszenter Wellen, die bei verbotenen Frequenzen im Phononenkristall auftreten. Die evaneszenten Wellen zeigten eine überraschend gute Zeitkompression, was zeigt, dass trotz fehlender Hyperfokussierung eine Zeitumkehrfokussierung in hoch geordneten Medien immer noch möglich ist.

Da sich herkömmliche Schallwellen beim Durchlaufen eines Mediums ausbreiten, könnte die Möglichkeit der Fokussierung von Schallwellen in mehreren Bereichen Anwendung finden. In der Kryptografie kann der Absender beispielsweise beim Senden einer geheimen Nachricht sicherstellen, dass nur ein Standort die Nachricht empfängt. Abfangjäger an anderen Orten würden nur Rauschen aufgrund nicht fokussierter Wellen wahrnehmen. Weitere Einsatzmöglichkeiten sind U-Boot-Abwehr und Unterwasserkommunikation, die von einer gezielten Signalgebung profitieren.

Zitat: Tourin, A., Van Der Biest, F. und Fink, M. Zeitumkehr des Ultraschalls durch einen Phononischen Kristall. Physical Review Letters 96, 104301 (2006).

Von Lisa Zyga, Copyright 2006 PhysOrg.com