Un metamaterial acústico , cristal sónico o cristal fonónico , es un material diseñado para controlar, dirigir y manipular ondas sonoras o fonones en gases , líquidos y sólidos ( redes cristalinas ). El control de las ondas sonoras se logra mediante la manipulación de parámetros como el módulo de volumen β , la densidad ρ y la quiralidad . Pueden diseñarse para transmitir o atrapar y amplificar ondas sonoras a determinadas frecuencias. En el último caso, el material es un resonador acústico .
Los metamateriales acústicos se utilizan para modelar e investigar fenómenos acústicos de gran escala como ondas sísmicas y terremotos , pero también fenómenos de muy pequeña escala como los átomos. Esto último es posible debido a la ingeniería de la banda prohibida: los metamateriales acústicos se pueden diseñar de manera que presenten bandas prohibidas para los fonones, similar a la existencia de bandas prohibidas para los electrones en los sólidos u orbitales electrónicos en los átomos. Eso también ha convertido al cristal fonónico en un componente cada vez más investigado en tecnologías cuánticas y experimentos que investigan la mecánica cuántica . Las ramas importantes de la física y la tecnología que dependen en gran medida de los metamateriales acústicos son la investigación de materiales con índice de refracción negativo y la optomecánica (cuántica) .
Historia
Los metamateriales acústicos se han desarrollado a partir de la investigación y los hallazgos en metamateriales . Un material novedoso fue propuesto originalmente por Victor Veselago en 1967, pero no se realizó hasta unos 33 años después. John Pendry produjo los elementos básicos de los metamateriales a fines de la década de 1990. Sus materiales se combinaron, con materiales de índice negativo realizados por primera vez en 2000, ampliando las posibles respuestas ópticas y materiales. La investigación en metamateriales acústicos tiene el mismo objetivo de respuestas materiales más amplias con ondas sonoras. [2] [3] [4] [5] [6]
La investigación que emplea metamateriales acústicos comenzó en 2000 con la fabricación y demostración de cristales sónicos en un líquido. [7] A esto le siguió la transposición del comportamiento del resonador de anillo dividido a la investigación de metamateriales acústicos. [8] Después de esto, este tipo de medio produjo parámetros dobles negativos (módulo de volumen negativo β eff y densidad negativa ρ eff ). [9] Luego, un grupo de investigadores presentó el diseño y los resultados de las pruebas de una lente de metamaterial ultrasónica para enfocar 60 kHz. [10]
La ingeniería acústica generalmente se ocupa del control de ruido , ultrasonido médico , sonar , reproducción de sonido y cómo medir algunas otras propiedades físicas utilizando el sonido. Con metamateriales acústicos, la dirección del sonido a través del medio se puede controlar manipulando el índice de refracción acústica. Por lo tanto, las capacidades de las tecnologías acústicas tradicionales se amplían, por ejemplo, pudiendo eventualmente ocultar ciertos objetos de la detección acústica.
Las primeras aplicaciones industriales exitosas de metamateriales acústicos se probaron para el aislamiento de aeronaves. [11]
Principios básicos
Las propiedades de los metamateriales acústicos generalmente surgen de la estructura más que de la composición, con técnicas como la fabricación controlada de pequeñas inhomogeneidades para representar un comportamiento macroscópico efectivo. [4] [12]
Módulo volumétrico y densidad de masa
El módulo de volumen β es una medida de la resistencia de una sustancia a la compresión uniforme. Se define como la relación de aumento de presión necesaria para causar una disminución relativa dada en el volumen.
La densidad de masa (o simplemente "densidad") de un material se define como masa por unidad de volumen y se expresa en gramos por centímetro cúbico (g / cm 3 ). [13] En los tres estados clásicos de la materia — gas, líquido o sólido — la densidad varía con un cambio de temperatura o presión, siendo los gases los más susceptibles a esos cambios. El espectro de densidades es amplio: desde 10 15 g / cm 3 para las estrellas de neutrones , 1,00 g / cm 3 para el agua, hasta 1,2 × 10 −3 g / cm 3 para el aire. [13] Otros parámetros relevantes son la densidad de área, que es la masa sobre un área (bidimensional), la densidad lineal - masa sobre una línea unidimensional y la densidad relativa , que es una densidad dividida por la densidad de un material de referencia, como como agua.
Para materiales acústicos y metamateriales acústicos, tanto el módulo de volumen como la densidad son parámetros de los componentes que definen su índice de refracción. El índice de refracción acústica es similar al concepto utilizado en óptica , pero se refiere a ondas de presión o de corte , en lugar de ondas electromagnéticas .
Modelo teórico
Los metamateriales acústicos o cristales fonónicos pueden entenderse como el análogo acústico de los cristales fotónicos : en lugar de ondas electromagnéticas (fotones) que se propagan a través de un material con un índice de refracción óptico periódicamente modificado (que resulta en una velocidad de la luz modificada ), el cristal fonónico comprende ondas de presión (fonones) que se propagan a través de un material con un índice de refracción acústica periódicamente modificado, lo que da como resultado una velocidad del sonido modificada .
Además de los conceptos paralelos de índice de refracción y estructura cristalina, las ondas electromagnéticas y las ondas acústicas se describen matemáticamente mediante la ecuación de onda .
La realización más simple de un metamaterial acústico constituiría la propagación de una onda de presión a través de una losa con un índice de refracción periódicamente modificado en una dimensión. En ese caso, el comportamiento de la onda a través de la losa o 'pila' puede predecirse y analizarse utilizando matrices de transferencia . Este método es omnipresente en óptica, donde se utiliza para la descripción de ondas de luz que se propagan a través de un reflector Bragg distribuido .
Metamateriales acústicos de índice de refracción negativo
En ciertas bandas de frecuencia , la densidad de masa efectiva y el módulo de volumen pueden volverse negativos. Esto da como resultado un índice de refracción negativo . El enfoque de losa plana , que puede resultar en una súper resolución , es similar a los metamateriales electromagnéticos. Los parámetros dobles negativos son el resultado de resonancias de baja frecuencia . [14] En combinación con una polarización bien definida durante la propagación de ondas; k = | n | ω , es una ecuación para el índice de refracción cuando las ondas sonoras interactúan con los metamateriales acústicos (abajo): [15]
Los parámetros inherentes del medio son la densidad de masa ρ , el módulo de volumen β y la quiralidad k . La quiralidad, o destreza, determina la polaridad de la propagación de la onda ( vector de onda ). Por lo tanto, dentro de la última ecuación, las soluciones de tipo Veselago (n 2 = u * ε) son posibles para la propagación de la onda, ya que el estado negativo o positivo de ρ y β determina la propagación de la onda hacia adelante o hacia atrás. [15]
En los metamateriales electromagnéticos, la permitividad negativa se puede encontrar en materiales naturales. Sin embargo, la permeabilidad negativa debe crearse intencionalmente en el medio de transmisión artificial . Para los materiales acústicos, ni ρ negativo ni β negativo se encuentran en materiales naturales; [15] se derivan de las frecuencias de resonancia de un medio de transmisión fabricado artificialmente, y esos valores negativos son una respuesta anómala. Ρ o β negativos significa que a ciertas frecuencias el medio se expande cuando experimenta compresión (módulo negativo) y acelera hacia la izquierda cuando se empuja hacia la derecha (densidad negativa). [15]
Campo electromagnético vs campo acústico
El espectro electromagnético se extiende desde las bajas frecuencias utilizadas para la radio moderna hasta la radiación gamma en el extremo de la longitud de onda corta, cubriendo longitudes de onda desde miles de kilómetros hasta una fracción del tamaño de un átomo. En comparación, las frecuencias infrasónicas van desde 20 Hz hasta 0,001 Hz, las frecuencias audibles son de 20 Hz a 20 kHz y el rango ultrasónico está por encima de 20 kHz.
Mientras que las ondas electromagnéticas pueden viajar en el vacío, la propagación de ondas acústicas requiere un medio.
Mecánica de ondas de celosía
En una estructura de celosía rígida, los átomos ejercen fuerza entre sí, manteniendo el equilibrio . La mayoría de estas fuerzas atómicas, como los enlaces covalentes o iónicos , son de naturaleza eléctrica. La fuerza magnética y la fuerza de la gravedad son insignificantes. [16] Debido al enlace entre ellos, el desplazamiento de uno o más átomos de sus posiciones de equilibrio da lugar a un conjunto de ondas de vibración que se propagan a través de la red. Una de esas ondas se muestra en la figura de la derecha. La amplitud de la onda viene dada por los desplazamientos de los átomos desde sus posiciones de equilibrio. Se marca la longitud de onda λ. [17]
Existe una longitud de onda mínima posible , dada por la separación de equilibrio a entre átomos. Cualquier longitud de onda más corta que esta se puede mapear en una longitud de onda larga, debido a efectos similares al aliasing . [17]
Investigación y aplicaciones
Las aplicaciones de la investigación de metamateriales acústicos incluyen tecnologías de control de vibraciones y reflexión de ondas sísmicas relacionadas con terremotos , así como detección de precisión . [14] [7] [18] Los cristales fonónicos pueden diseñarse para mostrar espacios de banda para fonones, similar a la existencia de espacios de banda para electrones en sólidos y a la existencia de orbitales de electrones en átomos. Sin embargo, a diferencia de los átomos y los materiales naturales, las propiedades de los metamateriales se pueden ajustar (por ejemplo, mediante la microfabricación ). Por esa razón, constituyen un potencial banco de pruebas para la física fundamental y las tecnologías cuánticas . [19] [20] También tienen una variedad de aplicaciones de ingeniería, por ejemplo, se utilizan ampliamente como componente mecánico en sistemas optomecánicos . [21]
Cristales sónicos
En 2000, la investigación de Liu et al. allanó el camino hacia los metamateriales acústicos a través de cristales sónicos , que exhiben brechas espectrales dos órdenes de magnitud más pequeñas que la longitud de onda del sonido. Los huecos espectrales impiden la transmisión de ondas a frecuencias prescritas. La frecuencia se puede ajustar a los parámetros deseados variando el tamaño y la geometría. [7]
El material fabricado consistía en bolas de plomo sólido de alta densidad como núcleo, de un centímetro de tamaño y recubiertas con una capa de caucho de silicona de 2,5 mm . Estos se dispusieron en una estructura de celosía de cristal de cubo de 8 × 8 × 8. Las bolas se cementaron en la estructura cúbica con un epoxi . La transmisión se midió en función de la frecuencia de 250 a 1600 Hz para un cristal sónico de cuatro capas. Una losa de dos centímetros absorbía el sonido que normalmente requeriría un material mucho más grueso, a 400 Hz. Se observó una caída en la amplitud a 400 y 1100 Hz. [7] [22]
Las amplitudes de las ondas sonoras que ingresan a la superficie se compararon con las ondas sonoras en el centro de la estructura. Las oscilaciones de las esferas recubiertas absorbieron energía sónica, lo que creó la brecha de frecuencia; la energía del sonido se absorbió exponencialmente a medida que aumentaba el grosor del material. El resultado clave fue la constante elástica negativa creada a partir de las frecuencias de resonancia del material.
Las aplicaciones proyectadas de los cristales sónicos son la reflexión de ondas sísmicas y los ultrasonidos. [7] [22]
Resonadores de anillo dividido para metamateriales acústicos
En 2004 , los resonadores de anillo dividido (SRR) se convirtieron en objeto de investigación de metamateriales acústicos. Un análisis de las características de la banda prohibida de frecuencia, derivadas de las propiedades limitantes inherentes de los SRR creados artificialmente, fue paralelo a un análisis de cristales sónicos. Las propiedades de la banda prohibida de los SRR se relacionaron con las propiedades de la banda prohibida del cristal sónico. Inherente a esta investigación es una descripción de las propiedades mecánicas y los problemas de la mecánica del continuo de los cristales sónicos, como una sustancia macroscópicamente homogénea. [18]
La correlación en las capacidades de banda prohibida incluye elementos de resonancia local y módulos elásticos que operan en un cierto rango de frecuencia. Los elementos que interactúan y resuenan en su respectiva área localizada están incrustados en todo el material. En los metamateriales acústicos, los elementos de resonancia local serían la interacción de una sola esfera de goma de 1 cm con el líquido circundante. Los valores de la banda de parada y las frecuencias de banda prohibida se pueden controlar eligiendo el tamaño, los tipos de materiales y la integración de estructuras microscópicas que controlan la modulación de las frecuencias. Estos materiales pueden proteger las señales acústicas y atenuar los efectos de las ondas de corte antiplano. Extrapolando estas propiedades a escalas mayores, podría ser posible crear filtros de ondas sísmicas (ver Metamateriales sísmicos ). [18]
Los metamateriales en matriz pueden crear filtros o polarizadores de ondas electromagnéticas o elásticas . Se han desarrollado métodos que se pueden aplicar a la banda de parada bidimensional y al control de la banda prohibida con estructuras fotónicas o sónicas. [18] Similar a la fabricación de metamateriales fotónicos y electromagnéticos, un metamaterial sónico está incrustado con fuentes localizadas de densidad de masa ρ y los parámetros del módulo de volumen β, que son análogos a la permitividad y la permeabilidad, respectivamente. Los metamateriales sónicos (o fonónicos) son cristales sónicos. Estos cristales tienen un núcleo de plomo sólido y un recubrimiento de silicona más suave y elástico . [7] Los cristales sónicos tenían resonancias localizadas incorporadas debido a las esferas recubiertas que dan como resultado curvas de dispersión casi planas . Movchan y Guenneau analizaron y presentaron brechas de banda de baja frecuencia e interacciones de ondas localizadas de las esferas recubiertas. [18]
Este método se puede utilizar para ajustar los huecos de banda inherentes al material y para crear nuevos huecos de banda de baja frecuencia. También es aplicable para diseñar guías de ondas de cristal fonónico de baja frecuencia. [18]
Cristales fonónicos
Los cristales fonónicos son materiales sintéticos formados por la variación periódica de las propiedades acústicas del material (es decir, elasticidad y masa). Una de sus principales propiedades es la posibilidad de tener una banda prohibida fonónica. Un cristal fonónico con banda prohibida fonónica evita que fonones de rangos de frecuencias seleccionados se transmitan a través del material . [24] [25]
Para obtener la estructura de la banda de frecuencia de un cristal fonónico, el teorema de Bloch se aplica en una sola celda unitaria en el espacio reticular recíproco ( zona de Brillouin ). Hay varios métodos numéricos disponibles para este problema, como el método de expansión de onda plana , el método de elementos finitos y el método de diferencias finitas . [26]
Para acelerar el cálculo de la estructura de la banda de frecuencia, se puede utilizar el método de expansión de modo de Bloch reducido (RBME). [26] La RBME se aplica "además" de cualquiera de los métodos numéricos de expansión primaria mencionados anteriormente. Para modelos de celdas unitarias grandes, el método RBME puede reducir el tiempo para calcular la estructura de la banda hasta en dos órdenes de magnitud.
La base de los cristales fonónicos se remonta a Isaac Newton, quien imaginó que las ondas sonoras se propagaban a través del aire de la misma manera que una onda elástica se propagaría a lo largo de una red de masas puntuales conectadas por resortes con una constante de fuerza elástica E. Esta constante de fuerza es idéntica el módulo del material . Con cristales fonónicos de materiales con diferentes módulos, los cálculos son más complicados que este modelo simple. [24] [25]
Un factor clave para la ingeniería de banda prohibida acústica es el desajuste de impedancia entre los elementos periódicos que componen el cristal y el medio circundante. Cuando un frente de onda que avanza se encuentra con un material con una impedancia muy alta, tenderá a aumentar su velocidad de fase a través de ese medio. Asimismo, cuando el frente de onda que avanza se encuentra con un medio de baja impedancia, se ralentizará. Este concepto se puede explotar con arreglos periódicos de elementos con impedancia discordante para afectar las ondas acústicas en el cristal. [24] [25]
La posición de la banda prohibida en el espacio de frecuencia de un cristal fonónico está controlada por el tamaño y la disposición de los elementos que componen el cristal. El ancho de la banda prohibida generalmente está relacionado con la diferencia en la velocidad del sonido (debido a las diferencias de impedancia) a través de los materiales que forman el compuesto. [24] [25]
Metamaterial acústico doble negativo
Los metamateriales electromagnéticos (isotrópicos) tienen estructuras resonantes incorporadas que exhiben permitividad negativa efectiva y permeabilidad negativa para algunos rangos de frecuencia. Por el contrario, es difícil construir materiales acústicos compuestos con resonancias integradas de modo que las dos funciones de respuesta efectivas sean negativas dentro de la capacidad o rango del medio de transmisión . [9]
La densidad de masa ρ y el módulo de volumen β dependen de la posición. Usando la formulación de una onda plana, el vector de onda es: [9]
Con frecuencia angular representada por ω , siendo c la velocidad de propagación de la señal acústica a través del medio homogéneo . Con densidad y módulo volumétrico constantes como constituyentes del medio, el índice de refracción se expresa como n 2 = ρ / β. Para desarrollar una onda plana de propagación a través del material, es necesario que tanto ρ como β sean positivos o negativos. [9]
Cuando se alcanzan los parámetros negativos, el resultado matemático del vector de Poynting está en la dirección opuesta al vector de onda . Esto requiere negatividad en el módulo y la densidad aparentes. Los materiales naturales no tienen una densidad negativa o un módulo de volumen negativo, pero los valores negativos son matemáticamente posibles y se pueden demostrar al dispersar caucho blando en un líquido. [9] [27] [28]
Incluso para materiales compuestos, el módulo volumétrico efectivo y la densidad deberían estar normalmente delimitados por los valores de los constituyentes, es decir, la derivación de los límites inferior y superior para los módulos elásticos del medio. La expectativa de módulo volumétrico positivo y densidad positiva es intrínseca. Por ejemplo, la dispersión de partículas sólidas esféricas en un fluido da como resultado la proporción gobernada por la gravedad específica cuando interactúa con la longitud de onda acústica larga (sonido). Matemáticamente, se puede demostrar que β eff y ρ eff son definitivamente positivos para materiales naturales. [9] [27] La excepción ocurre a bajas frecuencias de resonancia. [9]
Como ejemplo, la doble negatividad acústica se demuestra teóricamente con un compuesto de esferas de caucho de silicona blandas suspendidas en agua. [9] En caucho blando, el sonido viaja mucho más lento que a través del agua. El contraste de alta velocidad de las velocidades del sonido entre las esferas de goma y el agua permite la transmisión de frecuencias monopolares y dipolares muy bajas. Esta es una solución análoga a analítica para la dispersión de radiación electromagnética, o dispersión de ondas planas electromagnéticas , por partículas esféricas - esferas dieléctricas . [9]
Por lo tanto, existe un rango estrecho de frecuencias normalizadas 0.035 <ωa / (2πc) <0.04 donde el módulo volumétrico y la densidad negativa son ambos negativos. Aquí a es la constante de celosía si las esferas están dispuestas en una celosía cúbica centrada en las caras (fcc); ω es la frecuencia angular y c es la velocidad de la señal acústica. El módulo volumétrico efectivo y la densidad cerca del límite estático son positivos como se predijo. La resonancia monopolar crea un módulo de volumen negativo por encima de la frecuencia normalizada en aproximadamente 0,035 mientras que la resonancia dipolar crea una densidad negativa por encima de la frecuencia normalizada en aproximadamente 0,04. [9]
Este comportamiento es análogo a las resonancias de baja frecuencia producidas en SRR (metamaterial electromagnético). Los cables y los anillos partidos crean una respuesta dipolar eléctrica y magnética intrínseca. Con este metamaterial acústico construido artificialmente de esferas de goma y agua, solo una estructura (en lugar de dos) crea las resonancias de baja frecuencia para lograr la doble negatividad. [9] Con la resonancia monopolar, las esferas se expanden, lo que produce un cambio de fase entre las ondas que atraviesan el caucho y el agua. Esto crea una respuesta negativa. La resonancia dipolar crea una respuesta negativa tal que la frecuencia del centro de masa de las esferas está desfasada con el vector de onda de la onda sonora (señal acústica). Si estas respuestas negativas son lo suficientemente grandes como para compensar el fluido de fondo, se puede tener un módulo volumétrico efectivo negativo y una densidad efectiva negativa. [9]
Tanto la densidad de masa como el recíproco del módulo de volumen disminuyen en magnitud lo suficientemente rápido como para que la velocidad del grupo se vuelva negativa (doble negatividad). Esto da lugar a los resultados deseados de refracción negativa. La doble negatividad es una consecuencia de la resonancia y las propiedades de refracción negativa resultantes.
Metamaterial con módulo aparente y densidad de masa simultáneamente negativos
En 2007 se informó de un metamaterial que posee simultáneamente un módulo de volumen negativo y una densidad de masa negativa. Este metamaterial es una blenda de zinc estructura que consiste en una fcc matriz de esferas de agua de burbuja, contenida (BWSs) y otro relativamente cambió fcc matriz de esferas revestido de caucho-oro (RGSS) en epoxi especial. [29]
El módulo de volumen negativo se logra mediante resonancias monopolares de la serie BWS. La densidad de masa negativa se logra con resonancias dipolares de la serie de esferas de oro. En lugar de esferas de goma en líquido, este es un material de base sólida. Esto también es hasta ahora una realización de módulo volumétrico y densidad de masa simultáneamente negativos en un material de base sólida, lo cual es una distinción importante. [29]
Resonadores doble C
Los resonadores de doble C (DCR) son anillos cortados por la mitad, que se pueden organizar en múltiples configuraciones de celda, de manera similar al SRRS. Cada celda consta de un gran disco rígido y dos ligamentos delgados, y actúa como un pequeño oscilador conectado por resortes. Un resorte ancla el oscilador y el otro se conecta a la masa. Es análogo a un resonador LC de capacitancia, C e inductancia, L y frecuencia resonante √1 / (LC). La velocidad del sonido en la matriz se expresa como c = √ ρ / µ con densidad ρ y módulo de corte µ. Aunque se considera la elasticidad lineal, el problema se define principalmente por ondas de corte dirigidas en ángulos al plano de los cilindros. [14]
Se produce una banda prohibida fonónica en asociación con la resonancia del anillo del cilindro partido. Existe una banda prohibida fonónica dentro de un rango de frecuencias normalizadas. Aquí es cuando la inclusión se mueve como un cuerpo rígido . El diseño DCR produjo una banda adecuada con una pendiente negativa en un rango de frecuencias. Esta banda se obtuvo hibridando los modos de un DCR con los modos de barras rígidas delgadas. Los cálculos han demostrado que a estas frecuencias:
- un haz de sonido se refracta negativamente a través de una losa de dicho medio,
- el vector de fase en el medio posee partes reales e imaginarias con signos opuestos,
- el medio tiene una impedancia adecuada con el medio circundante,
- una losa plana del metamaterial puede representar una fuente a través de la losa como una lente de Veselago,
- la imagen formada por la losa plana tiene una resolución de imagen de sub-longitud de onda considerable, y
- una esquina doble del metamaterial puede actuar como un resonador abierto para el sonido.
Superlentes acústicos de metamateriales
En 2009, Shu Zhang et al. presentó el diseño y los resultados de las pruebas de una lente de metamaterial ultrasónica para enfocar ondas de sonido de 60 kHz (~ 2 cm de longitud de onda) bajo el agua. [10] La lente estaba hecha de elementos de sub-longitud de onda, potencialmente más compactos que los lentes fonónicos que operan en el mismo rango de frecuencia. [10]
La lente consta de una red de cavidades llenas de líquido llamadas resonadores de Helmholtz que oscilan a ciertas frecuencias. Similar a una red de inductores y condensadores en un metamaterial electromagnético, la disposición de las cavidades de Helmholtz diseñada por Zhang et al. tienen un módulo dinámico negativo para las ondas de ultrasonido. Se enfocó una fuente puntual de sonido de 60,5 kHz en un punto de aproximadamente la anchura de media longitud de onda, y existe la posibilidad de mejorar aún más la resolución espacial. [10] Los resultados coincidieron con el modelo de línea de transmisión, que derivó la densidad de masa efectiva y la compresibilidad. Esta lente de metamaterial también muestra una distancia focal variable a diferentes frecuencias. [30] [31]
Esta lente podría mejorar las técnicas de formación de imágenes acústicas, ya que la resolución espacial de los métodos convencionales está restringida por la longitud de onda del ultrasonido incidente. Esto se debe a los campos evanescentes que se desvanecen rápidamente y que llevan las características de sub-longitud de onda de los objetos. [30]
Diodo acústico
En 2009 se introdujo un diodo acústico , que convierte el sonido a una frecuencia diferente y bloquea el flujo hacia atrás de la frecuencia original. Este dispositivo podría proporcionar más flexibilidad para diseñar fuentes ultrasónicas como las que se utilizan en las imágenes médicas. La estructura propuesta combina dos componentes: el primero es una lámina de material acústico no lineal, cuya velocidad del sonido varía con la presión del aire. Un ejemplo de dicho material es una colección de granos o perlas, que se vuelve más rígida a medida que se aprieta. El segundo componente es un filtro que permite que pase la frecuencia duplicada pero que refleja la original. [32] [33]
Camuflaje acústico
Una capa acústica es un dispositivo hipotético que haría que los objetos fueran impermeables a las ondas sonoras. Esto podría usarse para construir casas insonorizadas , salas de conciertos avanzadas o buques de guerra furtivos. La idea del camuflaje acústico es simplemente desviar las ondas sonoras alrededor del objeto que debe camuflarse, pero darse cuenta ha sido difícil ya que se necesitan metamateriales mecánicos . Hacer tal metamaterial para un sonido significa modificar los análogos acústicos a permitividad y permeabilidad en ondas de luz, que son la densidad de masa del material y su constante elástica. Investigadores de la Universidad de Wuhan , China, en un artículo de 2007 [34] informaron sobre un metamaterial que poseía simultáneamente un módulo de volumen y una densidad de masa negativos.
En 2011 se demostró un dispositivo de metamaterial de laboratorio que es aplicable a ondas de ultrasonido para longitudes de onda de 40 a 80 kHz. La capa acústica de metamaterial fue diseñada para ocultar objetos sumergidos en agua, doblando y retorciendo ondas sonoras. El mecanismo de camuflaje consta de 16 anillos concéntricos en una configuración cilíndrica, cada anillo tiene circuitos acústicos y un índice de refracción diferente . Esto hace que las ondas sonoras varíen su velocidad de un anillo a otro. Las ondas sonoras se propagan alrededor del anillo exterior, guiadas por los canales de los circuitos, que doblan las ondas para envolverlas alrededor de las capas exteriores. Este dispositivo se ha descrito como una serie de cavidades que en realidad reducen la velocidad de propagación de las ondas sonoras. Se sumergió un cilindro experimental en un tanque y se hizo desaparecer de la detección del sonar. Otros objetos de diversas formas y densidades también se ocultaron al sonar. [31] [35] [36] [37] [38]
Metamateriales fonónicos para la gestión térmica
Como los fonones son responsables de la conducción térmica en los sólidos, se pueden diseñar metamateriales acústicos para controlar la transferencia de calor. [39] [40]
Ver también
- Dispersión acústica
- Encubrimiento de metamateriales
- Metamaterial
- Absorbente de metamaterial
- Antenas de metamaterial
- Metamateriales de índice negativo
- Metamateriales fotónicos
- Cristal fotónico
- Metamateriales sísmicos
- Resonador de anillo partido
- Superlentes
- Metamateriales ajustables
- Óptica de transformación
Libros
- Manual de metamateriales
- Metamateriales: Exploraciones de física e ingeniería
Científicos de metamateriales
- Richard W. Ziolkowski
- John Pendry
- David R. Smith
- Nader Engheta
- Vladimir Shalaev
Referencias
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Otras lecturas
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enlaces externos
- Cristales fonónicos
- Materiales de índice de refracción negativo
- Camuflaje acústico