Diodo acústico cria escudo à prova de som e gera energia

Redação do Site Inovação Tecnológica - 27/07/2011

A não-linearidade e a assimetria presentes nessa cadeia de esferas comprimidas pode transformar vibrações de uma frequência, aplicadas em um lado da cadeia, em vibrações de grande largura de banda no outro, levando à retificação.
[Imagem: Georgios Theocharis / Caltech]

Silêncio e energia

Cientistas criaram o primeiro diodo acústico, um dispositivo que permite que as ondas sonoras viajem em uma única direção e com frequência controlável.

Isso deixa mais próxima da realidade a ideia de construção de um escudo verdadeiramente à prova de som.

Imagine, por exemplo, duas salas, A e B. Com o diodo acústico, ou diodo sônico, será possível permitir que os sons de A sejam ouvidos em B, mas ninguém na sala A conseguirá ouvir os sons produzidos em B.

A tecnologia também poderá será útil para transformar barulhos indesejáveis em energia elétrica.

Diodo acústico

O diodo é um dos componentes fundamentais da eletrônica: ele permite que a corrente elétrica flua em apenas um sentido, nunca no sentido inverso.

Pesquisadores do Instituto de Tecnologia da Califórnia, nos Estados Unidos, criaram um diodo que faz o mesmo com o som, ou seja, um diodo no qual a corrente elétrica é substituída pelas ondas sonoras, permitindo uma retificação das ondas sonoras.

"O conceito da transmissão unilateral de som pode ser muito importante na acústica arquitetônica, ou na ciência e na engenharia de controle de som no interior dos edifícios," diz Georgios Theocharis, um dos autores da pesquisa.

Outros pesquisadores já construíram escudos sonoros para deixar submarinos invisíveis ao radar, usaram o som para controlar a luz e até já pensam em construir um laser de som.

Mas, até agora, ninguém havia demonstrado a transmissão de som unidirecional de forma convincente.

Já houve outras tentativas de construir diodos acústicos, mas a transição entre o modo de transmissão ("pode passar") e o modo de retenção ("não pode passar") é muito suave, sempre passando um pouco de som no sentido "proibido": em vez de ser barrado, o som vai se esmaecendo aos poucos, impedindo a criação de um escudo verdadeiramente à prova de som.

Assim como seus equivalentes eletrônicos, os diodos acústicos podem ser montados para formar circuitos lógicos que funcionam com som. É assim que o som é impedido de passar em um sentido, enquanto flui naturalmente em outro.
[Imagem: Boechler et al./Nature Materials]

Retificação de ondas sonoras

Um diodo eletrônico, construído com um material semicondutor, está na base de um processo conhecido como retificação, que permite que ondas alternadas, que invertem de direção periodicamente, sejam transformadas em ondas com direção única.

É assim que a corrente alternada da tomada é convertida em corrente contínua para os aparelhos eletrônicos e que as ondas de rádio recebidas pelas antenas possam ser usadas no interior dos equipamentos.

Já o diodo acústico é um cristal granular, um conjunto de partículas esféricas e elásticas densamente empacotadas.

Se a estrutura do dispositivo é aparentemente simples, seu funcionamento não é, sendo baseado nas teorias da bifurcação e do caos.

Em vez de construir um cristal granular "perfeito", que simplesmente transmitiria o som, os cientistas introduziram pequenos defeitos em sua estrutura, partículas com dimensão e elasticidade diferentes das demais. Isso impede a simples transmissão das ondas sonoras.

As partículas defeituosas fazem com que vibrações de determinadas frequências originem bifurcações e um subsequente salto para estados caóticos e quasiperiódicos, criando ondas ricas em uma ampla gama de frequências - uma bifurcação ocorre quando uma alteração suave em um dos parâmetros de um sistema gera uma alteração repentina em seu comportamento.

"Nós usamos essa combinação de filtragem de frequências e bifurcações assimetricamente excitadas para obter taxas de retificação maiores do que 10⁴," afirmam eles.

Coleta de energia

O sistema é muito sensível a pequenas variações nas condições operacionais, como pressão e movimento, o que o torna útil também na detecção de ondas sonoras, podendo ser a base de sensores acústicos ultrassensíveis.

Ele também opera em diferentes frequências de som e é capaz de reduzir a frequência das ondas sonoras.

"Nós propomos utilizar esses efeitos para melhorar as tecnologias de coleta de energia," afirma a Dra. Chiara Daraio, coordenadora da pesquisa.

"Por exemplo, poderemos capturar a energia sonora indesejada, gerada por vibrações estruturais em máquinas, controlando o fluxo de ondas sonoras para fora da máquina e levando-as para um transdutor. O transdutor, então, converte as ondas sonoras em eletricidade," explica ela.

A pesquisadora afirma que a tecnologia também pode alterar as frequências indesejadas para um intervalo que permite uma conversão mais eficiente de eletricidade.

Materiais térmicos e acústicos

Daraio acredita que o diodo acústico também poderá ser usado em várias outras aplicações, incluindo aparelhos médicos de ultra-som, controle de ruídos e até materiais termais para controle de temperatura ambiente.

"Como os conceitos que regem a propagação de ondas são universais para muitos sistemas, acreditamos que o uso desta nova forma de controle de energia poderá permitir a concepção de muitos materiais térmicos e acústicos avançados," concluiu.

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