Ученые из Великобритании и США впервые продемонстрировали, как «закрученные» звуковые волны от вращающегося источника могут производить отрицательные частоты, аналогичные обращению времени вспять.
Группа исследователей из университетов Глазго, Эксетера и Иллинойс-Уэслианского университета сообщила в журнале Proceedings of the National Academy of Science, как они построили систему, способную обратить момент импульса звуковой волны без необходимости сверхзвуковых скоростей.
Эффект Доплера — явление, знакомое каждому, кто видел, как мимо проезжает машина скорой помощи, вопя сирена. По мере того, как машина скорой помощи приближается к наблюдателю, звуковые волны «накапливаются», повышая частоту волн и, таким образом, вызывая повышение высоты звука сирены, процесс, известный ученым как «синее смещение». Как только машина скорой помощи проезжает мимо, звуковые волны «растягиваются», понижая свою частоту и понижая высоту тона – «красное смещение».
Профессор Майлз Паджетт, заведующий кафедрой натурфилософии Кельвина в Университете Глазго, сказал: «Мы уже давно знаем, что странные вещи происходят, когда гипотетический наблюдатель гонится за звуком, издаваемым сиреной скорой помощи на сверхзвуковых скоростях, и создает то, что можно назвать «отрицательной» частотой.
«На этих скоростях наблюдатель будет слышать звук сирены в обратном направлении, а не знакомые повторяющиеся подъемы и спады, потому что наблюдатель сейчас движется быстрее, чем звук, который он слышит — самый последний звук, который он издает, достигнет наблюдателя раньше тех, которые он издавал в прошлом, в противоположность тому, как звук распространяется на дозвуковых скоростях».
Будь то сверхзвуковая или дозвуковая, то, что наблюдает гипотетический наблюдатель скорой помощи, более точно известно как линейный эффект Доплера, когда звуковые волны распространяются по прямой линии при движении между объектом и наблюдателем.
В 1981 году химик по имени Брюс Гарец впервые продемонстрировал эффект вращательного Доплера, когда сдвиги частоты происходят, когда электромагнитные волны (в данном случае световые волны) движутся по кругу вокруг одной фиксированной точки. В отличие от линейных доплеровских сдвигов, вращательные доплеровские сдвиги не генерируют отрицательных частот, поскольку между объектом и наблюдателем нет движения.
В предыдущих исследованиях ученые из Глазго изучали, как влияет вращательный доплеровский сдвиг, когда электрическому и магнитному полям света придается «закручивание» в виде штопора – свойство, известное как орбитальный момент импульса, или «OAM». Их работа показала, что ОАМ лазерного излучения смещается по Доплеру, когда он попадает на вращающуюся отражающую поверхность, и несет информацию о скорости вращения поверхности.
В своем новом исследовании они решили изучить, как вращение влияет на ОАМ звуковых волн. Для этого они расположили 16 громкоговорителей по кругу, напротив двух микрофонов, установленных на вращающемся кольце. Расположив микрофоны с небольшим смещением друг от друга, они смогли измерить величину и направленный OAM акустических волн от громкоговорителей в виде размаха вращающегося кольца.
Доктор Грэм Гибсон из Школы физики и астрономии Университета Глазго, основной автор статьи, добавил: «Мы обнаружили, что мы действительно можем генерировать отрицательные вращательные доплеровские акустические волны, которые обращают вспять ОАМ волны, что не было продемонстрировано ранее – по сути, мы можем обратить вспять вращение акустических волн.
«Более того, мы можем генерировать эти отрицательные частоты, в то время как наше микрофонное кольцо работает на очень низких, дозвуковых скоростях, со скоростью вращения около 25 Гц, что невозможно при линейных доплеровских сдвигах».
Доктор Дэйв Филлипс из Университета Эксетера добавил: «Это очень интересное открытие, имеющее потенциальное применение в ряде научных дисциплин, включая квантовую теорию поля. Мы стремимся продолжить изучение последствий полученных результатов в будущем».
Статья команды, озаглавленная «Обращение орбитального углового момента, возникающего из экстремального доплеровского сдвига», опубликована в журнале Proceedings of the National Academy of Science.
Исследование было поддержано финансированием Европейского исследовательского совета, Королевской инженерной академии и Центра докторантуры EPSRC в области интеллектуального зондирования и измерения.