Физики передали закрученность по трубке в воду

Такое устройство поможет улучшить акустические пинцеты

Физики из Англии и Италии проверили передачу закрученности от механических изгибных волн в трубке в волны давления в жидкости. Для создания волн они формировали в алюминиевой трубе пилообразный профиль. Ученые показали, что изготовленное ими устройство может заменить целый массив динамиков, с помощью которого обычно создают закрученный звук. Исследование опубликовано в Communications Physics.

Волны с ненулевым орбитальным моментом (закрученные волны) стали объектом пристального исследования ученых в последние тридцать лет. Первоначально они были обнаружены для света и нашли применение в оптических пинцетах, где закрученные фотоны могут передавать плененному объекту вращение. Сейчас такие состояния обнаружены и у волн материи, звуковых и спиновых волн.

Состоянию с определенным орбитальным моментом соответствует винтообразный фронт волновой функции частицы, а значение этой наблюдаемой связано с тем, сколько раз фаза совершает полный оборот при одном обороте азимутального угла. Другими словами, чем сильнее наклонен фронт, тем больше орбитальный момент волны. Наклоненным фронтами обладают и другие волновые моды, например бесселевы пучки высоких порядков или целые вихревые структуры, в которых удается увидеть дробный орбитальный момент.

Перенос идеи о закрученных волнах в твердое тело, а именно к механическим волнам упругости, произошел совсем недавно. В феврале этого года группа физиков из Англии и Италии под руководством Грегори Чаплэйна (‪Gregory Chaplain) из Эксетерского университета предложила концепцию устройства, позволяющего генерировать такие волны, в виде полой трубки, один из концов которой имеет пилообразный профиль. Расчеты показали, что при помещении такой трубки в воду, закрученные волны упругости будут передавать орбитальный момент в волны давления жидкости. Теперь же физики подтвердили свои расчеты экспериментально.

Для своего эксперимента авторы взяли алюминиевую трубу длиной 90 сантиметров с внутренним и внешним диаметрами равными четырем и шести сантиметрам соответственно. При помощи фрезерного станка с ЧПУ физики сформировали в одной из частей трубы пилообразный профиль глубиной шесть миллиметров, состоящий из трех зубьев длиной 63 миллиметра. Такой профиль был выбран для преобразования продольной осесимметричной акустической моды второго порядка с частотой 62 килогерца в такую же изгибную моду, но с орбитальным моментом, равным трем.

Открытый конец трубы ученые помещали в воду на глубину 20 миллиметров, а противоположный конец закрывали пьезоэлектрическим диском, который возбуждал в трубе механические волны. Физики соорудили систему, позволяющую перемещать в трех измерениях под трубкой гидрофон, записывающий карту распределения давления и фазы во все моменты времени. Авторы подкрепили эксперимент симуляциями методом конечных элементов.

Сравнивая обе картины, физики получили качественное согласие. Как и предсказывает теория волны давления в жидкости обладают топологическим зарядом, равным трем, однако центральная сингулярность разбивается на три однозарядных вихря. Реальная волна, однако, была не такой симметричной, как предсказанная. Авторы связывают это с неидеальностью процесса фрезеровки, вызванными конечным размеров головки станка, а также эффектами вязкости и затухания на высоких частотах.

Ученые считают, что полученное устройство может быть полезно при дефектоскопии труб, поскольку закрученные волны чувствительны к осевым трещинам. Кроме того, закрученность звука в жидкости может стать дополнительным инструментом в акустических пинцетах подобно тому, как это происходит в оптике. Традиционный способ создания закрученного звука основан на использовании массива динамиков, расположенных вдоль кольца и излучающих согласованно. Авторы численно показали, что их устройство создает эквивалентные звуковые волны давления.

Совсем недавно мы рассказывали про то, как физики придумали способ, чтобы наделить орбитальным моментом релятивистские частицы.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.
Физики научились закручивать звук