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 Иллинойса Уэслиан сообщила в журнале Proceedings of the National Academy of Science, как они создали систему, способную изменять угловой момент звуковой волны без необходимости использования сверхзвуковых скоростей.
Эффект Доплера – явление знакомое каждому, кто наблюдал проезжающую мимо машину скорой помощи во время подачи сирены. По мере того, как машина скорой помощи приближается к наблюдателю, звуковые волны «накапливаются», повышая частоту волн и, таким образом, заставляя звук сирены повышаться по тону, процесс, известный ученым как «синее смещение». Как только машина скорой помощи проезжает, звуковые волны «растягиваются», понижая свою частоту и снижая высоту тона – «красное смещение».
Профессор Майлз Паджетт, заведующий кафедрой естественной философии Кельвина в Университете Глазго, сказал: «Мы уже давно знаем, что странные вещи происходят, когда гипотетический наблюдатель преследует звук, издаваемый сиреной скорой помощи на сверхзвуковых скоростях, и создает то, что мы могли бы назвать «отрицательной» частотой.
«При таких скоростях наблюдатель будет слышать звук сирены в обратном направлении, а не привычные повторяющиеся подъемы и спады, потому что наблюдатель теперь 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 вращательный эффект Доплера, при котором сдвиги частоты происходят, когда электромагнитные волны (в данном случае световые волны) движутся по кругу вокруг одной неподвижной 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 на вращательный доплеровский сдвиг, когда электрическому и магнитному полям света придается «закручивание» в виде штопора — свойство, известное как орбитальный угловой момент, или «OAM». Их работа показала, что ОАМ лазерного света имеет доплеровское смещение, когда он ударяется о вращающуюся отражающую поверхность, и несет информацию о скорости вращения поверхности.
В своем новом исследовании они решили изучить, как вращение влияет на OAM звуковых волн. Для этого они расположили 16 громкоговорителей в круг, обращенный к двум микрофонам, установленным на вращающемся кольце. Расположив микрофоны на небольшом расстоянии друг от друга, они смогли измерить величину и направленность акустических волн от громкоговорителей в виде вращающегося кольцевого диапазона.
Доктор Грэм Гибсон из Школы физики и астрономии Университета Глазго, основной автор статьи, добавил: «Мы обнаружили, что мы действительно можем генерировать отрицательные вращательные акустические волны со сдвигом Доплера, которые обращают обратное OAM волны, что не было продемонстрировано ранее — по сути, мы можем обратить вспять закручивание акустических волн.
«Более того, мы могли бы генерировать эти отрицательные частоты, в то время как наше кольцо микрофона 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 заинтересованы в продолжении изучения последствий полученных результатов в будущем».
Статья команды под названием «Обращение орбитального углового момента, возникающего из-за экстремального доплеровского сдвига» опубликована в Proceedings of the National Academy of Science.
Исследование было поддержано Европейским исследовательским советом, Королевской инженерной академией и Центром докторантуры EPSRC по интеллектуальному зондированию и измерениям.