KR20160047503A

KR20160047503A - 선형 또는 각 운동량 바이어싱 기반 비가역 음향 기기

Info

Publication number: KR20160047503A
Application number: KR1020167007338A
Authority: KR
Inventors: 안드레아 알루; 로맹 플레리; 디미트리오스 수나스
Original assignee: 보드 오브 레젼츠, 더 유니버시티 오브 텍사스 시스템
Priority date: 2013-08-21
Filing date: 2014-08-04
Publication date: 2016-05-02
Also published as: AU2014309342A1; WO2015026509A1; US20160203810A1; JP2016531320A; EP3036735A1; CN105659315A; US9536512B2

Abstract

선형 또는 각 운동량 바이어싱을 통해 비가역성을 달성하는 비가역 음향 기기에 관한 것이다. 비가역 음향 기기는 전방위적으로 대칭이거나 평탄한 음향 공동(예를 들어, 링 공동)을 포함하고, 여기서 공동은 공동을 채우는 기체, 유체 또는 고체 매질의 순환 또는 선형 유동을 부과함으로써 바이어싱된다. 음향 도파관들이 공동에 연결되거나 공동이 둘러싸는 매질로부터 활성화된다. 이러한 기기의 포트는 음향 파동으로 활성화된다. 공동이 대략적으로 바이어싱될 때, 음향 파동은 다른 음향 도파관들 중 하나로 전송되는 반면 다른 음향 도파관들에서는 어떠한 음향 파동의 전송도 이루어지지 않는다. 그 결과, 선형인 비가역성이 입력 신호를 왜곡하거나 높은 입력 파워 또는 대규모 기기를 요하지 않으면서 여기서 실현된다.

Description

선형 또는 각 운동량 바이어싱 기반 비가역 음향 기기{NON-RECIPROCAL ACOUSTIC DEVICES BASED ON LINEAR OR ANGULAR MOMENTUM BIASING}

본 발명은 전체적으로 비가역 기기들에 관한 것으로, 더욱 상세하게 각 운동량 바이어싱 기반 비가역 음향 기기들에 관한 것이다.

본 발명은 미국 가 특허출원 제 61/868,178호 "Non-Reciprocal Acoustic Devices Based on Angular Momentum Biasing(선형 또는 각 운동량 바이어싱 기반 비가역 음향 기기)"에 대한 우선권 주장을 수반하며, 이는 그 전체로서 본 명세서에 참조되어 통합된다.

미국 정부는 국방 위협 감소 기관(Defense Threat Reduction Agency) 등록 번호 제 HDTRA1-12-1-0022호의 조건에 따라 본 발명의 특정 권한을 가진다.

비가역적인 파동의 전파는 시반전 대칭 중단(time-reversal symmetry breaking)으로부터 유래하는 매체의 매혹적인 특성이다. 카사미르-온세거 이론(Casimir Onsager principal)에 따르면, 비가역적인 기기에 대하여, 그 산란 행렬(scattering matrix)은 시반전 시 오드 백터(odd vetor)에 의존해야 한다. 예를 들어, 그러한 비가역 기기에서(예를 들어, 아이솔레이터(isolator), 다이오드), 파동들은 일 방향으로 전체가 전송되고 다른 것에 완전히 반사된다. 최근에, 선형 기기 내에서 비방향성인 소리 전파를 달성하기 위한 작은 제안들이 논의되었으나, 이러한 개념들의 대부분은 어떠한 종류의 오드 백터 바이어스가 없는 비대칭성 선형 구조를 사용하며, 기기를 시간 반전시 전체가 대칭되게 하며, 이로써 완전에 가역적이다. 이러한 선형 기기들은 아이솔레이터라기 보단 비대칭성 모드 컨버터로 거동한다. 이러한 선형 기기들은 소리 분리(sound isolation)를 위해 사용될 수 없으며, 이는, 입력과 출력이 반전될 때, 두 개의 포트들 사이의 다이오드의 용도를 갖는 기기에서 요구되는 바와 같이, 그 전파가 엄격히 가역적이기 때문이다.

분리(isolation)를 위해 적합한, 음향 비가역성을 달성하기 위한 가능한 해결책은 비선형 매체를 사용하는 것이다. 예를 들어, 그것은 파동의 주파수를 변환할 수 있는 포논 수정(phononic crystal) 및 비선형 매체를 쌍을 지으는 것(페어링(pairing))일 수 있다. 한편으로, 파동은 수정이 밴드 갭 내에서 작동하기 때문에 반사된다. 다른 한편으로, 파동 주파수는 수정의 전파 밴드 내의 값으로 변환되어 이에 구조를 통해 전송된다. 그러나, 이러한 해결책은 매우 놓은 입력 파워들을 요구하며 전형적으로 선형 음향에서 마주치는 낮은 강도 신호들로 효율적인 작동을 하는 것을 어렵게 한다. 추가적인 결함으로, 특히 소리 파동들에 대한 문제로서, 이는 신호의 주파수를 대폭 수정한다. 그러나 이론적으로, 선형 시스템 내의 비가역적인 전파가 물리 법칙에 의해 허용된다. 자기 바이어스(Magnetic bias)가 음향 패러데이 효과와 같은 비가역성을 유발할 수 있으나, 자기 음향 효과(magneto-acoustic effects)가 상대적으로 취약하며 파장에 비해 상당히 큰 대규모 기기들을 요구할 수 있다. 기계 운동(mechanical motion)이 음향 자이레이터(acoustic gyrator)(비가역적 위상 시프터)를 실현하기 위해 제안되었으나, 자기 바이어스의 경우와 같이, 얻어진 기기는 매우 크며 파이프들 상의 횡파들(transverse waves)을 엄격히 제한한다. 기체(예를 들어, 공기) 내의 종파들(longitudinal waves)에 대한 선형이며, 소형인 음향 비가역 기기에 해결책은 여전히 없으며 가청음 분리(audible sound isolation)을 위해 크게 요구된다.

본 발명의 일 실시예에서, 비가역 기기는, 각 운동량 바이어스를 갖는 전방위적으로 대칭인 음향 공동을 포함한다. 비가역 기기는 각각이 입력 포트 및 출력 포트에 연관되며, 상기 전방위적으로 대칭인 음향 공동에 연결되는 복수의 음향 도파관을 더 포함한다. 또한, 비가역 기기는 음향 파동으로 활성화되는 상기 복수의 음향 도파관 중 제1 음향 도파관의 입력 포트를 포함한다. 상기 전방위적으로 대칭인 음향 공동은 상기 복수의 음향 도파관 중 제2 음향 도파관의 출력 포트로 상기 음향 파동의 전체를 전송하고 상기 복수의 음향 도파관 중 제3 음향 도파관의 출력 포트로 상기 음향 파동을 전송하지 않는 것을 유도하는 방식으로 바이어스 된다.

본 발명의 다른 실시예에서, 비가역 기기는, 각 운동량 바이어스를 갖는 전방위적으로 대칭인 음향 공동을 포함하고, 여기서 상기 음향 공동은 서로에 대하여 커플링된 부-공동들로 구성되고, 상기 각 운동량 바이어스는 상기 부-공동들의 음향 특성의 시간 변조에 의해 달성된다. 비가역 기기는 상기 전방위적으로 대칭인 음향 공동에 연결되는 복수의 음향 도파관을 더 포함하고, 여기서 상기 복수의 음향 도파관들 각각은 입력 포트 및 출력 포트에 연관된다. 또한, 비가역 기기는, 음향 파동으로 활성화되는 복수의 도파관 중 제1 음향 도파관의 제1 입력 포트를 포함한다. 상기 음향 공동은 상기 복수의 음향 도파관 중 제2 음향 도파관의 출력 포트로 상기 음향 파동의 전체를 전송하고 상기 복수의 음향 도파관 중 제3 음향 도파관의 출력 포트로 상기 음향 파동을 전송하지 않도록 유도하는 방식으로 바이어스 된다.

본 발명의 또 다른 실시예에서, 비가역 기기는 음향 공동을 포함하고, 여기서 상기 음향 공동은 선형 운동량 바이어스가 횡단 방향으로 이동하는 매질 또는 시간 변조를 통해 인가되는 평탄한 공동으로 구성된다. 비가역 기기는 상기 음향 공동에 연결되는 한 쌍의 음향 도파관을 더 포함하고, 여기서 상기 한 쌍의 도파관 중 각각의 도파관은 입력 포트 및 출력 포트에 연관된다. 비가역 기기는 추가로 음향 파동으로 활성화되는 상기 한 쌍의 음향 도파관 중 제1 음향 도파관의 입력 포트를 포함한다. 상기 음향 공동은 상기 한 쌍의 음향 도파관들 중 상기 제1 음향 도파관의 상기 입력 포트에서 활성화된 상기 음향 파동을 상기 한 쌍의 음향 도파관 중 제2 음향 도파관의 출력 포트로 전부 전송 전송하도록 유도하는 방식으로 바이어싱 되고, 상기 음향 공동은 상기 한 쌍의 음향 도파관 중 상기 제2 음향 도파관의 입력 포트에서 활성화된 음향 파동을 상기 한 쌍의 음향 파동 중 상기 제1 음향 파동의 출력 포트로 전송하지 않도록 유도하는 방식으로 바이어싱 된다.

본 발명의 또 다른 실시예에서, 비가역 기기는 선형 운동량 바이어스가 횡단 방향으로 이동하는 매질 또는 시간 변조를 통해 인가되는 평탄한 공동으로 구성되는 음향 공동을 포함하고, 여기서, 상기 음향 공동은 자유 공간에서 전파되는 음향 파동들에 의해 활성화 되고, 상기 음향 공동의 표면들은 상기 음향 파동들이 상기 음향 공동 내부로 침투하는 것을 가능케 하도록 부분적으로 투명하다.

본 발명의 또 다른 실시예에서, 비가역 기기들의 격자로 이루어진 인공 음향 매질이 제공되고, 여기서 상기 음향 매질은 각 또는 선형 운동량 바이어스를, 상기 인공 음향 매질의 벌크 모드(bulk modes) 및 에지 모드(edge modes) 모두에 대한 비가역적으로 전파를 야기하는 상기 격자의 각각의 요소들로 인가함으로써 비가역적이게 변경된다.

전술한 내용은 후술될 본 발명의 상세한 설명이 더 잘 이해될 수 있도록 본 발명의 하나 또는 복수의 실시예들의 기술적 이점 및 특징들을 다소 일반적으로 개괄한 것이다. 본 발명의 추가적인 특징들 및 이점들은 이하에서 기술될 것이며 이는 본 발명의 청구항들의 주요부를 구성할 수 있다.

후술하는 상세한 설명이 첨부된 도면들에 연관되어 고려될 때, 본 발명에 대한 더 나은 이해가 이루어질 수 있다.
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따라 내부 유체를 순환시키는 것에 의해 음향 링 공동이 바이어싱되는 것을 도시한다.
도 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른 본 발명의 분석 모델에 따라, 바이어스 속도에 정비례하는, 제1 반대-전파(counter-propogating) 고유 모드들의 분할에 대한 결과를 도시한다.
도 1c는 분석적 예측 및 전체-파동 시뮬레이션 간의 비교를 도시하며, 이는 본 발명의 일 실시예에 따른 오른쪽 및 왼쪽 모드와 연관되어 고유 주파수의 분할을 시현한다.
도 1d는 본 발명의 일 실시예에 따라 바이어싱된 링 공동 및 이에 커플링된 세 개의 음향 도파관들로 구성된 3-포트 시스템으로 음향 다이오드를 일반화하는 것을 도시한다.
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따라 도 1d의 음향 써큘레이터에 바이어스가 인가되지 않을 때 포트 2 및 포트 3에서의 전송 스펙트럼이 동일한 것을 도시한다.
도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따라 도 1d의 음향 써큘레이터에 바이어스 속도를 맞춤으로써 공진 주파수에서 전송이 이루어지지 않는 것을 포트 2에서 얻고 전부 전송되는 것을 포트 3에서 얻는 것을 도시한다.
도 2c는 본 발명의 일 실시예에 따라 도 1d의 기기의 비가역 전송 특성에 바이어스 속도가 달라지는 것의 영향을 도시한다.
도 2d는 본 발명의 일 실시예에 따라 도 1d의 바이어싱 되지 않은 기기 내부에서 분포된 음향 압력장을 도시한다.
도 2e는 본 발명의 일 실시예에 따라 도 1d의 기기에 대략적으로 바이어싱될 때 음향 파동은 제3 도파관으로 완전히 전송되는 반면 제2 도파관의 소리 수준은 0인 것을 도시한다.
도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따라 본 발명의 이론을 통합하는 제조된 기기를 도시한다.
도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따라 팬들에 전원이 인가되지 않을 때 포트 1로부터 입사되는 소리 파동으로부터 포트 2 및 포트 3으로의 소리 전송을 측정하는 것을 도시한다.
도 3cb는 본 발명의 일 실시예에 따라 팬 속도가 최적화된 비가역 거동을 생성하도록 조정될 때, 포트 1로부터 입사되는 소리 파동으로부터 포트 2 및 포트 3으로의 소리 전송을 측정하는 것을 도시한다.
도 3d는 본 발명의 일 실시예에 따라 팬 속도에 비례하는, 입력 전류의 함수로서, 바이어싱 되지 않은 경우로 정규화된 측정된 전송 스펙트럼을 도시한다.
도 3e는 본 발명의 일 실시예에 따라 설계된 속도에서 큰(>30dB) 비가역성의 양을 나타내는 입력 전류의 데시벨 단위의 함수로서 측정된 분리를 도시한다.

배경 기술란에서 기술된 바와 같이, 분리를 위해 적합한, 음향 비가역성 달성하기 위한 가능한 해결책은 비선형 매체를 사용하는 것이다. 예를 들어, 이는 파동의 주파수를 변환할 수 있는 포논 수정(phononic crystal) 및 비선형 매질을 쌍을 지으는 것(페어링(pairing))일 수 있다. 한편으로, 파동은 수정이 밴드 갭 내에서 작동하기 때문에 반사된다. 다른 한편으로, 파동 주파수는 수정의 전파 밴드 내의 값으로 변환되어 이에 구조를 통해 전송된다. 그러나, 이러한 해결책은 매우 놓은 입력 파워들을 요구하며 전형적으로 선형 음향에서 마주치는 낮은 강도 신호들로 효율적인 작동을 하는 것을 어렵게 한다. 추가적인 결함으로, 특히 소리 파동들에 대한 문제로서, 이는 신호의 주파수를 대폭 수정한다. 그러나 이론적으로, 선형 시스템 내의 비가역적인 전파가 물리 법칙에 의해 허용된다. 자기 바이어스(Magnetic bias)가 음향 패러데이 효과와 같은 비가역성을 유발할 수 있으나, 자기 음향 효과(magneto-acoustic effects)가 상대적으로 취약하며 파장에 비해 상당히 큰 대규모 기기들을 요구할 수 있다. 기계 운동(mechanical motion)이 음향 자이레이터(acoustic gyrator)(비가역적 위상 시프터)를 실현하기 위해 제안되었으나, 자기 바이어스의 경우와 같이, 얻어진 기기는 매우 크며 파이프들 상의 횡파들(transverse waves)을 엄격히 제한한다. 기체(예를 들어, 공기) 내의 종파들(longitudinal waves)에 대한 선형이며, 소형인 음향 비가역 기기에 해결책은 여전히 없으며 가청음 분리(audible sound isolation)을 위해 크게 요구된다.

본 발명에 따른 이론들은 각 운동량 바이어싱을 기반으로 하는 음향 파동들에 대하여, 선형 음향 다이오드 또는 선형 음향 아이솔레이터와 같은 선형인 비가역적 기기를 개선하는 수단을 제공한다. 본 발명에 따른 이론들의 결과로서, 선형인 비가역성이 이제 입력 신호를 왜곡하거나 높은 입력 파워 또는 큰 부피의 기기들을 요구함이 없는 음향 시설들(acoustics)에서 실현된다. 그러한 비가역적 음향 기기를 개선하는 방법은 공명하는 작은 원형 공동에 바이어싱하는 각 운동량을 기초로, 제만 효과(Zeeman effect)에 대한 음향 등가(acoustic equivalent)를 도입하는 것을 기초로 한다. 예를 들어, 본 발명의 일 실시예에 따라 도 1a에 도시된 바와 같이 고체 블록 내부로 새겨진 링 공동(cavity)(100)인, 전방위적으로(azimuthally) 대칭인 음향 공동을 고려한다. 도 1a를 참조하면, 공진 주파수에서 원형 운동(101)을 충전 매질(filling medium)(102)(예를 들어, 공기와 같은, 기체, 유체, 및 물 속의 고무 링과 같은 기체)에 강압함으로써, 공동(100)이 바이어싱될 수 있다. 바이어스 속도는

를 따라 전방향으로 지향될 것으로 가정되며, 비록 가정되긴 하나, 대부분 손실 없이 반경 거리 r에 의존할 것이며, 그 크기는 일정하며 v와 동일하다. 외부 바이어스 없이, 링 공동(100)은 그 평균 원주가 파장의 정수배 m과 대략 동일할 때 공진하며, 전방위적 종속성(

)을 갖는 축퇴하는(degenerate) 반대-전파(counter-propogating) 고유모드들(eigenmodes)을 지지한다. 이는 본 발명의 일 실시예에서 사용되는 기본 모드(m=1)에 대해, 링 공동(100)의 치수들이 파장 보다 작다는 것을 의미한다. 바이어시의 모드 속성(modal properties)에 미치는 영향을 이해하기 위하여, 링에 대한 시간-독립적 슈레딩거 방정식을 고려한다:

(1)

여기서,

는 모드 상태 백터이고, ω는 고유 주파수(eigenfrequency)이고, H ₀ 은 바이어스가 없는 시스템의 시간 진화 연산자(time-evolution operator)이고, P는 이동하는 매질로 인한 섭동을 나타낸다. 이러한 방정식은 비회전 및 등엔트로피(irrotational and isentropic) 유동을 가정하여 유도된다. 높은 차수의 모드들을 무시하면, 이러한 고유값들은 ω ⁺ 및 ω ^- 이 아래와 같이 얻어진다:

(2)

여기서 ω ₀ 　은 바이어스가 없는 기본 모드의 축퇴하는(degenerate) 공진 주파수이고 는 평균 링 반경이다. 본 발명의 일 실시예에 따라 도 1b에 도시된 바와 같이, 바이어스는, 정적 자기장의 존재 하에서 원자 전자에 대한 제만 효과와 유사하게, 속도에 선형한 주파수 분할의 축퇴를 중단한다. 만일 속도 순환(circulation)이 오른쪽(RH)이라면, 왼쪽(LH) 모드는 더 높은 주파수로 시프트되는 반면, RH 모드는 동일한 양으로 더 낮게 시프트된다. 만일 속도 순환이 왼쪽(LH)라면, 오른쪽(RH) 모드는 더 높은 주파수로 시프트되는 반면, LH 모드는 동일한 양으로 더 낮게 시프트된다. 이러한 제한된 음향 제만 효과에 대한 우리의 분석적 모드를 유효하게 하기 위하여, 고유값 문제는 바이어싱된 공동에 대하여 수치적으로 해석된다. 방정식 (2)로 완전히 해석될 수 있는 고유값들은, 본 발명의 일 실시예에 따라 도 1c에서 도시된 바와 같이, 형식화(formalism) 및 가정을 유효하게 한다.

강자성 재료(ferromagnetic materials)에서, 제만 효과는 전자기 파동의 비가역적 전파에 관련된다. 링 공동(100)의 상태들의 공간이 이제 시간 반전 시 오드 백터에, 즉, 이동 매질의 각 운동량에 의존하기 때문에, 제안된 음향 제만 효과가 전자기 파동들에 대한 그 양자 대응(quantum counterpart)와 같은 비가역성을 포함할 수 있다는 것이 기대될 수 있다. 이에 관하여, 본 발명에 따른 이론들은 음향 다이오드를 서큘레이터(circulator)와 같은 3-포트 선형 기기로 일반화 한다. 그러한 기기는 포트(1)에 입사되는 음향 파워가 모두 온전히 포트(3)에 전송되는 것을 보장한다. 포트(3)으로부터, 파워는 포트(2)로 가고, 포트(2)로부터 포트(1)로 간다. 본 발명의 일 실시예에 따라 도 1d에 도시된 서큘레이터에 대한 산란 행렬(S)은 비-대칭적이고,

(3)

그 비가역인 속성의 징후가 된다. 본 발명에서 제안된 다이오드는 음향 써큘레이터의 하위시스템(subsystem)이며, 도한, 소리 파동들에 대한 그 첫 번째 종류이다. 정말로, 다이오드는 포트들 중 하나를 매칭함으로써 쉽게 얻어질 수 있고, 시스템을 소리 분리를 할 수 있는 입력-출력 기기로 감소시킨다. 예를 들어, 도 1d에 도시되는 바와 같이, 그러한 기기(103)는 작은 구멍을 통해 그 중심으로부터 120°로 위치된 세 개의 음향 도파관들(105a 내지 105c)에 커플링되는 (링 공동(100)과 같은) 음향 제만 공동(104)을 포함한다. 도파관들(105a 내지 105c)는, 입력/출력 포트들(1 내지 3)과 같은 입력 및 출력 포트에 각각 관련되고, 이는 도파관(105a 내지 105c)으로 음향 파동을 입력/출력하도록 사용될 수 있다. 도파관들(105a 내지 105c)는 전체로서 또는 개별적으로 도파관들(105) 또는 도파관(105)로, 각각 지칭될 수 있다. 모드 분할로 인해, 포트(1)로 입사되는 음향 파동은, 상이한 크기들(a⁺　및 a-　)로 RH 및 LH 모드 모두에 공평하게 커플링되지 않을 수 있고, 그들 사이의 간섭들 및 포트들(2 및 3)에서의 잠재적으로 상이한 결과물들을 가능케 한다. 임시적인 커플링된-모드 이론을 사용하여, 포트들(2 및 3)에서의 파워 전송 계수들이 아래와 같이 고려된다:

여기서, 는 RH 및 LH 모드들에 관련된 붕괴 속도이다. 방정식 (4) 및 방정식 (5)로부터, 만일, 세 개의 도파관들(105)에 커플링된 공동(104)의 모드들이 분할될 수 있고 이로써

인 것이 명백하다.

, 및

인 것, 및 대칭성에 의해, 방정식(3)의 전체 산란 행렬을 얻을 수 있다. 이로써, 이는 음향 제만 효과를 이용하여 선형인 서브 파장(subwavelength) 비가역 반응을 갖는 음향 서큘레이터가 가능하다.

음향 파동이 포트(1)로부터 입사될 때의 도 1d의 3-포트 시스템(103)의 거동을 조사하기 위하여 수많은 시뮬레이션이 수행되었다. 그 결과들은 본 발명의 일 실시예에 따라 도 2a 내지 도 2e에서 취합되었다. 도 2a 내지 도 2e는 이하에서 도 1d와 관련하여 논의될 것이다.

도 2a를 참조하면, 이는 도 1d의 시스템(103)을 바이어싱하지 않은 경우를 도시하며, 압력 전송 계수의 크기는 바이어스가 인가되지 않을 때 포트(2) 및 포트(3)에서 계산된다. 이 경우, 포트(2) 및 포트(3)에서의 전송 계수는 동일하며, 기기(103)의 대칭성에 부합한다. 시스템(103)은 파워 분배기(power divider)이며, 이는 각 출력 포트(예를 들어, 포트(2) 및 포트(3))에서 파워의 4/9를 전송하고, 남은 (1/9)는 반사된다.

도 2b는 기기(103)가 본 발명의 일 실시예에 따라 대략적으로 바이어싱될 때 변경된 전송 스펙트럼을 도시한다. 포트(2)로의 전송이 특정 주파수에서 0으로 급격히 감소된다. 동일한 주파수에서, 포트(3)으로의 전송은 1(unity)에 도달하며, 모든 에너지가 포트(3)로 지향되어 있음을 나타낸다. 유사하게, 음향 파동이 포트(3)으로부터 입사될 때, 음향 파동은, 기기(103)이 가역적일 때 예상될 수 있는 바와 같이, 포트(1)로 돌아가는 것 대신에 포트(2)로 전송된다. 유사하게, 포트(2)로부터의 자극(excitation)은 포트(3)에서의 전체 전송으로 이어진다.

도 2c는 본 발명의 일 실시예에 따른 포트(1)로부터 포트(2) 및 포트(3)으로의 전송의 바이어스 속도를 변화시키는 것의 효과를 도시한다. 속도가 0(바이어싱되지 않은 기기)일 때, 진폭 전송 계수는 2/3이다. 속도가 증가됨에 따라, 포트(2)로의 전송이 점진적으로 0으로 감소되는 반면, 포트(3)에서 이는 바이어스 속도의 특정 값에 대하여 1에 다다른다. 이러한 값은 완벽한 서큘레이터를 얻기 위하여 음향 제만 분할의 수정된 값을 제공한다. 이러한 값을 지나서, S-파라미터 |S₂₁|는 다시 증가하는 반면, |S₂₁|는 감소한다. 흥미로운 것은, 이러한 방법은 평균 속도 값의 요동들(fluctuations)에 대하여 상당히 강건(robust)하다는 것이다. 실제로, |S₃₁　/ S₂₁| 로 정의되는 높은 수준의 분리가 최적 값 주변의 속도들의 큰 범위에서 얻어진다.

기기(103) 내부의 음향 압력장(acoustic pressure field)의 거동에 대한 더 많은 통찰을 얻기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따라, 도 2d 및 도 2e에서 바이어싱 되지 않은 작동 하에서 및 최적 속도 바이어스 하에서 음향 압력장 분포가 각각 도시된다. 바이어싱 되지 않은 작동 하에서, 도 2d에 도시된 바와 같이, 모드들이 축퇴(degenerate)되고 균등하게 활성화되어, 포트(1)의 축에 대하여 완전히 대칭인 공동의 내부에서의 장 분포를 야기한다. 포트(1) 축에 대해 대칭인 포트(2) 및 포트(3)는 균등하게 활성화되며, 비가역적인 전파가 그림으로부터 완전히 드러난다. 검정 화살표로 나타낸 평균 파워 유동은 두 개의 출력 포트들(포트(2) 및 포트(3)) 사이에서 균등하게 분할된다. 기기(103)이 적절하게 바이어싱될 때에도, 분할 모드들은 상이한 방식으로 활성화되며 간섭하여, 포트(1)의 축에 대해 더 이상 대칭적이지 않은 장 분포를 야기한다. 도 2e의 선도로부터 상쇄 간섭이 포트(2)에서 일어나는 반면, 포트(3)에서 모드들은 구조적으로 간섭하며, 이는 독특한 비가역적 반응을 설명한다. 파워의 유동은 오직 왼쪽 출력 포트(포트(3))으로만 완전히 및 일정하게 전송된다.

본 발명에 따른 이론들을 사용하여 제조된 기기(300)가 본 발명의 일 실시예에 따라 도 3a에서 도시된다. 일 실시예에서, 120°로 공동(302) 내에 위치된 세 개의 저소음 CPU 냉각 팬들(301a 내지 301c)은 순환 유동을 생성하여, 800Hz 주위의 가청 범위 내에서의 작동을 목표로 한다. 팬들(301a-301c)은 전체로서 또는 개별적으로 팬들(301) 또는 팬(301)로 각각 지칭될 수 있다. 팬들(301)의 입력 전류를 변경함으로써, 공동(302)의 바이어스 속도는 변화한다. 기기(300)는 포트(1)와 같은 상류에 위치된 확성기(loudspeacker)에 의해 활성화된다. 도 3b 및 3c는 본 발명의 일 실시예에 따라 바이어싱되지 않은 때로 정규화된(normalized) 포트(2) 및 포트(3)에서 측정된 전송 스팩트럼을 각각 도시한다. 도 3c에서, 입력 전류는 130 ma로 설정되고, 비가역성이 이론과 매우 일치하여 명확히 관측된다. 도 3d는 팬 입력 전류, 즉, 팬 스피드를 변화하는 것의 본 발명의 일 실시예에 따른 전송 계수들에 대한 영향을 도시한다. 실험적 측정들은 도 2c의 이론에 따른 예측을 훌륭하게 확실하게 한다. 기기(300)의 성능을 정량화하기 위하여, 입력 전류의 함수로서 분리 |S₂₁|에 의해 특징지어 지는 비가역성의 양은 본 발명의 일 실시예에 따라 도 3e에 도시된 바와 같이 측정된다. 본 발명에 따른 이론들을 사용하여, 최적 바이어스 값 주위에서 30dB 보다 큰 대규모 분리가 얻어진다. 실험 동안, 기기(300)의 응답은 다른 포트들에서의 활성화로 시험되었다. 120° 대칭성으로부터 예상되는 바와 같이, 그 결과들은 포트(1)를 활성화하는 것으로부터 얻어진 것과 일치하였다. 바이어스가 전자적으로 제어되기 때문에, 높은 수준의 튜닝성(tenability)이 허용되며, 가역적 작동으로부터 비가역적 작동으로 순간적인 스위칭이 가능하며, 심지어 입력 전류의 부호를 변경하여 서큘레이터의 방향(handedness)를 반전하는 것도 가능하다. 좁은 대역의 신호들이 ω _r 에서 전송되었고 비가역성은 관찰자에게 잘 들렸다(audible).

도 3a 내지 도 3e는 공동(302)에 채워진 공기의 순환 유동을 부여함으로써 각 운동량 바이어스를 달성하기 위하여 세 개의 저소음 CPU 냉각 팬들(301)을 이용하는 것을 논의하였으나, 본 발명에 따른 이론들은, 공동을 채우는 유체의 순환 유동을 부여하는 교반기(stirrer)를 사용하는 것과 같은, 각 운동량 바이어스를 달성하기 위한 다른 수단들을 사용할 수 있다. 또한, 비가역적 기기는 각 운동량 바이어스를 갖는 음향 공동을 포함할 수 있고, 여기서 음향 공동은 각각이 커플링된 부-공동들(sub-cavities)으로 구성되고, 각 운동량 바이어스는 부-공동들의 음향 특성들이 시간적 변조에 의해 달성된다. 추가로, 비가역적 기기는 음향 공동을 포함할 수 있고, 여기서 음향 공동은 선형 운동량 바이어스가 횡방향으로 이동하는 매질 또는 시간적 변조를 통해 인가되는 평탄한 공동으로 구성된다.

파동 물리학들의 모든 지점들에서, 서브 파장(subwavelength) 파동 조작이 확실히 연구되고 있고 관련 기기들의 소형화로 인해, 아직도 매우 요구되고 있다. 본 발명의 서브 파장 음향 다이오드는 가청 주파수에서의 대규모 음향 분리를 달성하기 위하여 실제 통합 및 튜닝 가능한 기기들에 사용될 수 있다. 서브 파장 링 공동의 각 운동량 바이어싱을 기초로 하는, 음향 제만 효과는 새로운 세대의 음향 스위치들, 잡은 제어 기기들, 또는 이미징 시스템들에서 공기기반 음향 파동들의 전파를 다스리기 위한 새로운 장을 열 수 있다.

본 발명의 다양한 실시예들에 대한 상세한 설명은 예시의 목적을 위하여 기술되었으나, 이는 기술된 실시예들로 국한되거나 제한되는 것을 의도하지 않는다. 만은 변경 또는 변화가 기술된 실시예들의 범주 또는 사상을 벗어남이 없이 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다. 본 명세서에서 사용된 용어들은 실시예들, 실제 응용 또는 시장에서 고려되는 기술들에 대한 기술적 개발의 이론들을 잘 설명하기 위해 또는 다른 통상의 기술자가 본 명세서에서 기술된 실시예들을 이해할 수 있도록 선택되었다.

Claims

각 운동량 바이어스를 갖는 전방위적으로 대칭인 음향 공동; 및
각각이 입력 포트 및 출력 포트에 연관되며, 상기 전방위적으로 대칭인 음향 공동에 연결되는 복수의 음향 도파관을 포함하되,
상기 복수의 음향 도파관 중 제1 음향 도파관의 입력 포트가 음향 파동으로 활성화되고,
상기 전방위적으로 대칭인 음향 공동은 상기 복수의 음향 도파관 중 제2 음향 도파관의 출력 포트로 상기 음향 파동의 전체를 전송하고 상기 복수의 음향 도파관 중 제3 음향 도파관의 출력 포트로 상기 음향 파동을 전송하지 않는 것을 유도하는 방식으로 바이어스 되는,
비가역 기기.
제1 항에 있어서, 상기 각 운동량 바이어스는 상기 전방위적으로 대칭인 음향 공동을 채우는 유체의 순환 운동에 의해 달성되는, 비가역 기기.
제1 항에 있어서, 상기 각 운동량 바이어스는 상기 전방위적으로 대칭인 음향 공동을 채우는 고체 매질의 순환 운동에 의해 달성되는, 비가역 기기.
제1 항에 있어서, 상기 각 운동량 바이어스는 상기 전방위적으로 대칭인 음향 공동을 채우는 기체의 순환 운동에 의해 달성되는, 비가역 기기.
제4 항에 있어서, 상기 기체는 공기를 포함하는, 비가역 기기.
제1 항에 있어서, 상기 각 운동량 바이어스는 상기 전방위적으로 대칭인 음향 공동을 채우는 공기의 순환 유동을 부여하는 팬(fan)들에 의해 달성되는, 비가역 기기.
제1 항에 있어서, 상기 각 운동량 바이어스는 상기 전방위적으로 대칭인 음향 공동을 채우는 유체의 순환 유동을 부과하는 교반기에 의해 달성되는, 비가역 기기.
제1 항에 있어서, 상기 각 운동량 바이어스는 상기 전방위적으로 대칭인 음향 공동의 오른쪽 및 왼쪽 공진들의 주파수 축퇴(degeneracy)를 제거하는, 비가역 기기.
제1 항에 있어서, 상기 복수의 음향 도파관들은 세 개의 음향 도파관들을 포함하는, 비가역 기기.
제9 항에 있어서, 상기 세 개의 음향 도파관들은 상기 전방위적으로 대칭인 음향 공동을 중심으로 서로 120도의 위치에 있는, 비가역 기기.
제1 항에 있어서, 상기 비가역 기기는 3-포트 음향 다이오드의 기능을 갖는, 비가역 기기.
제1 항에 있어서, 상기 비가역 기기는 음향 아이솔레이터의 기능을 갖는, 비가역 기기.
제1 항에 있어서, 상기 전방위적으로 대칭인 음향 공동은 원의 형상으로 구현되는, 비가역 기기.
제1 항에 있어서, 상기 각 운동량 바이어스는 상기 전방위적으로 대칭인 음향 공동을 채우는 음향 매질의 시공간 변조에 의해 달성되는, 비가역 기기.
각 운동량 바이어스를 갖는 전방위적으로 대칭인 음향 공동으로서, 상기 음향 공동은 서로에 대하여 커플링된 부-공동들로 구성되고, 상기 각 운동량 바이어스는 상기 부-공동들의 음향 특성의 시간 변조에 의해 달성되는, 음향 공동; 및
각각이 입력 포트 및 출력 포트에 연관되며, 상기 전방위적으로 대칭인 음향 공동에 연결되는 복수의 음향 도파관을 포함하되,
상기 복수의 음향 도파관 중 제1 음향 도파관의 입력 포트가 음향 파동으로 활성화되고,
상기 전방위적으로 대칭인 음향 공동은 상기 복수의 음향 도파관 중 제2 음향 도파관의 출력 포트로 상기 음향 파동의 전체를 전송하고 상기 복수의 음향 도파관 중 제3 음향 도파관의 출력 포트로 상기 음향 파동을 전송하지 않도록 유도하는 방식으로 바이어스 되는,
비가역 기기.
선형 운동량 바이어스가 횡단 방향으로 이동하는 매질 또는 시간 변조를 통해 인가되는 평탄한 공동으로 구성되는 음향 공동;
상기 음향 공동에 연결되는 한 쌍의 음향 도파관으로서, 상기 한 쌍의 도파관 중 각각의 도파관은 입력 포트 및 출력 포트에 연관되는, 한 쌍의 음향 도파관을 포함하되,
상기 한 쌍의 음향 도파관 중 제1 음향 도파관의 입력 포트가 음향 파동으로 활성화되고,
상기 음향 공동은 상기 한 쌍의 음향 도파관들 중 상기 제1 음향 도파관의 상기 입력 포트에서 활성화된 상기 음향 파동을 상기 한 쌍의 음향 도파관 중 제2 음향 도파관의 출력 포트로 전부 전송 전송하도록 유도하는 방식으로 바이어싱 되고, 상기 음향 공동은 상기 한 쌍의 음향 도파관 중 상기 제2 음향 도파관의 입력 포트에서 활성화된 음향 파동을 상기 한 쌍의 음향 파동 중 상기 제1 음향 파동의 출력 포트로 전송하지 않도록 유도하는 방식으로 바이어싱 되는, 비가역 기기.
선형 운동량 바이어스가 횡단 방향으로 이동하는 매질 또는 시간 변조를 통해 인가되는 평탄한 공동으로 구성되는 음향 공동을 포함하되, 상기 음향 공동은 자유 공간에서 전파되는 음향 파동들에 의해 활성화 되고, 상기 음향 공동의 표면들은 상기 음향 파동들이 상기 음향 공동 내부로 침투하는 것을 가능케 하도록 부분적으로 투명한, 비가역 기기.
제17항에 있어서, 상기 음향 파동은 반대 방향들을 따라 전파되는, 비가역 기기.
제18 항에 있어서, 상기 바이어스는 일 방향으로 전파되는 제1 음향 파동을 전부 전송하며 반대 방향을 따라 진행하는 제2 음향 파동이 전부 반사되도록 유도하는 방식으로 인가되는, 비가역 기기.
제17항에 있어서, 상기 음향 파동은 상기 음향 공동의 상기 표면들의 법선 방향에 대한 반사 방향을 따라 전파되는, 비가역 기기.
제20 항에 있어서, 상기 바이어스가 일 방향을 따라 전파되는 제1 음향 파동에 대한 전송 및 다른 방향을 따라 전파되는 제2 음향 파동에 대한 전부 반사를 유도하는 방식으로 인가되는, 비가역 기기.
비가역 기기의 격자로 이루어진 인공 음향 매질에 있어서, 상기 음향 매질은 각 또는 선형 운동량 바이어스를, 상기 인공 음향 매질의 벌크 모드(bulk modes) 및 에지 모드(edge modes) 모두에 대한 비가역적으로 전파를 야기하는 상기 격자의 각각의 요소들로 인가함으로써 비가역적이게 변경되는, 인공 음향 매질.