Metamaterial acústico

Material diseñado para manipular ondas sonoras.

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 en determinadas frecuencias. En este último caso, el material es un resonador acústico .

Los metamateriales acústicos se utilizan para modelar e investigar fenómenos acústicos a escala extremadamente grande, como ondas sísmicas y terremotos , pero también fenómenos de escala extremadamente pequeña, como los átomos. Esto último es posible gracias a la ingeniería de bandas prohibidas: los metamateriales acústicos se pueden diseñar de manera que exhiban bandas prohibidas para fonones, similar a la existencia de bandas prohibidas para electrones en sólidos o orbitales de electrones en átomos. Esto también ha convertido al cristal fonónico en un componente cada vez más investigado en tecnologías y experimentos cuánticos que investigan la mecánica cuántica . 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) .

La obra de arte "Órgano" del escultor Eusebio Sempere es un ejemplo a gran escala de un cristal fonónico: consiste en una serie periódica de cilindros en el aire (el 'metamaterial' o 'estructura cristalina') y sus dimensiones y patrón están diseñados de tal manera que el sonido Las ondas a una frecuencia de 1670 Hz están fuertemente atenuadas. Se convirtió en la primera evidencia de la existencia de bandas prohibidas fonónicas en estructuras periódicas. ^[1]

Historia

Los metamateriales acústicos se han desarrollado a partir de la investigación y los hallazgos en metamateriales . Victor Veselago propuso originalmente un material novedoso en 1967, pero no se realizó hasta unos 33 años después. John Pendry produjo los elementos básicos de los metamateriales a finales de los años 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 lograr respuestas materiales más amplias con ondas sonoras. ^{[2] [3] [4] [5] [6]}

La investigación que emplea metamateriales acústicos comenzó en el año 2000 con la fabricación y demostración de cristales sónicos en un líquido. ^[7] A continuación se transpuso el comportamiento del resonador de anillos divididos a la investigación en metamateriales acústicos. ^[8] Después de esto, este tipo de medio produjo parámetros doblemente 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 metamaterial ultrasónica para enfocar a 60 kHz. ^[10]

La ingeniería acústica generalmente se ocupa del control del ruido , el ultrasonido médico , el sonar , la reproducción del sonido y cómo medir algunas otras propiedades físicas utilizando el sonido. Con los 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, pudiendo eventualmente, por ejemplo, ocultar ciertos objetos de la detección acústica.

Las primeras aplicaciones industriales exitosas de metamateriales acústicos se probaron para el aislamiento de aviones. ^[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 heterogeneidades para representar un comportamiento macroscópico efectivo. ^{[4] [12]}

Módulo volumétrico y densidad de masa.

Módulo de volumen: ilustración de compresión uniforme

El módulo de volumen β es una medida de la resistencia de una sustancia a la compresión uniforme. Se define como la relación entre el aumento de presión necesario para provocar una disminución relativa determinada del 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 en 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 volumétrico como la densidad son parámetros 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

Comparación de estructuras cristalinas fonónicas 1D, 2D y 3D donde el metamaterial exhibe una variación periódica de la velocidad del sonido en 1, 2 y 3 dimensiones (de izquierda a derecha, respectivamente).

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 (lo que da como resultado 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 ondas .

La realización más sencilla de un metamaterial acústico consistiría en 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' se puede predecir y analizar 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 de Bragg distribuido .

Metamateriales acústicos de índice de refracción negativo.

En determinadas bandas de frecuencia , la densidad de masa efectiva y el módulo volumétrico pueden volverse negativos. Esto da como resultado un índice de refracción negativo . El enfoque de losa plana , que puede dar como resultado una superresolución , es similar a los metamateriales electromagnéticos. Los parámetros doblemente negativos son el resultado de resonancias de baja frecuencia . ^{[14] En combinación con una} polarización bien definida durante la propagación de las ondas; k = | norte | ω , es una ecuación para el índice de refracción cuando las ondas sonoras interactúan con los metamateriales acústicos (abajo): ^[15]

${\displaystyle n^{2}={\frac {\rho }{\beta }}}$

Los parámetros inherentes del medio son la densidad de masa ρ , el módulo de volumen β y la quiralidad k . La quiralidad, o lateralidad, determina la polaridad de la propagación de las ondas ( 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 ondas, ya que el estado negativo o positivo de ρ y β determina la propagación de ondas hacia adelante o hacia atrás. ^[15]

En los metamateriales electromagnéticos se puede encontrar permitividad negativa en materiales naturales. Sin embargo, la permeabilidad negativa debe crearse intencionadamente en el medio de transmisión artificial . Para los materiales acústicos, ni ρ ni β negativos se encuentran en materiales naturales; ^[15] se derivan de las frecuencias resonantes de un medio de transmisión fabricado artificialmente, y tales valores negativos son una respuesta anómala. Negativo ρ o β 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 en la radio moderna hasta la radiación gamma en el extremo de 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 reticulares.

En una estructura reticular 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 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 olas se muestra en la figura de la derecha. La amplitud de la onda está dada por los desplazamientos de los átomos desde sus posiciones de equilibrio. La longitud de onda λ está marcada. ^[17]

Existe una longitud de onda mínima posible , dada por la separación en equilibrio a entre átomos. Cualquier longitud de onda más corta que esta se puede asignar a una longitud de onda larga, debido a efectos similares al aliasing . ^[17]

Investigación y aplicaciones

Las aplicaciones de la investigación de metamateriales acústicos incluyen la reflexión de ondas sísmicas y las tecnologías de control de vibraciones relacionadas con los terremotos , así como la detección de precisión . ^{[14] [7] [18]} Los cristales fonónicos pueden diseñarse para exhibir bandas prohibidas para fonones, similar a la existencia de bandas prohibidas 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 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 sonicos

En 2000, la investigación de Liu et al. Allanó el camino hacia los metamateriales acústicos a través de cristales sónicos , que exhiben espacios espectrales dos órdenes de magnitud más pequeños que la longitud de onda del sonido. Los espacios 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 estaban dispuestos en una estructura de red cristalina cúbica de 8 × 8 × 8. Las bolas fueron cementadas 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 absorbió un sonido que normalmente requeriría un material mucho más grueso, a 400 Hz. Se observó una caída de 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 fue absorbida exponencialmente a medida que aumentaba el espesor del material. El resultado clave fue la constante elástica negativa creada a partir de frecuencias resonantes del material.

Las aplicaciones proyectadas de los cristales sónicos son la reflexión de ondas sísmicas y los ultrasonidos. ^{[7] [22]}

Resonadores de anillos partidos para metamateriales acústicos

Resonadores y cables de anillo dividido de cobre montados sobre láminas entrelazadas de placa de circuito de fibra de vidrio. Un resonador de anillo dividido consta de un cuadrado interior con una división en un lado incrustado en un cuadrado exterior con una división en el otro lado. Los resonadores de anillo dividido están en las superficies frontal y derecha de la rejilla cuadrada y los cables verticales individuales están en las superficies posterior e izquierda. ^{[8] [23]}

En 2004, los resonadores de anillos divididos (SRR) se convirtieron en objeto de investigación sobre 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 estaban relacionadas 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 continua de los cristales sónicos, como una sustancia macroscópicamente homogénea. ^[18]

La correlación en las capacidades de banda prohibida incluye elementos localmente resonantes y módulos elásticos que operan en un cierto rango de frecuencia. Los elementos que interactúan y resuenan en sus respectivas áreas localizadas están incrustados en todo el material. En los metamateriales acústicos, los elementos localmente resonantes serían la interacción de una única esfera de goma de 1 cm con el líquido circundante. Los valores de las frecuencias de banda prohibida y 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 entonces proteger las señales acústicas y atenuar los efectos de las ondas de corte antiplanas. Extrapolando estas propiedades a escalas mayores, sería posible crear filtros de ondas sísmicas (ver Metamateriales sísmicos ). ^[18]

Los metamateriales dispuestos pueden crear filtros o polarizadores de ondas electromagnéticas o elásticas . Se han desarrollado métodos que se pueden aplicar al control bidimensional de banda prohibida y banda prohibida con estructuras fotónicas o sónicas. ^[18] De manera 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 masa 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 revestimiento 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 bandas prohibidas de baja frecuencia e interacciones de ondas localizadas de las esferas recubiertas. ^[18]

Este método se puede utilizar para ajustar las bandas prohibidas inherentes al material y para crear nuevas bandas prohibidas 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 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 los fonones de rangos seleccionados de frecuencias se transmitan a través del material . ^{[24] [25]}

Para obtener la estructura de bandas de frecuencia de un cristal fonónico, se aplica el teorema de Bloch 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 reducida del modo Bloch (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 bandas 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 a el módulo del material . Con cristales fonónicos de materiales con diferentes módulos, los cálculos son más complicados que este simple modelo. ^{[24] [25]}

Un factor clave para la ingeniería de banda prohibida acústica es la falta de coincidencia de impedancia entre los elementos periódicos que componen el cristal y el medio circundante. Cuando un frente de onda que avanza encuentra un material con una impedancia muy alta, tenderá a aumentar su velocidad de fase a través de ese medio. Del mismo modo, cuando el frente de onda que avanza se encuentra con un medio de baja impedancia, se ralentizará. Este concepto se puede explotar con disposiciones periódicas de elementos con impedancias no coincidentes para afectar las ondas acústicas en el cristal. ^{[24] [25]}

La posición de la banda prohibida en el espacio de frecuencias 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 diferencias de impedancia) a través de los materiales que forman el compuesto. ^{[24] [25]} Los cristales fonónicos reducen eficazmente el ruido de baja frecuencia, ya que sus sistemas localmente resonantes actúan como filtros de frecuencia espacial. Sin embargo, tienen bandas prohibidas estrechas, imponen un peso adicional al sistema primario y funcionan sólo en el rango de frecuencia ajustado. Para ampliar las bandas prohibidas, las celdas unitarias deben ser de gran tamaño o contener materiales densos. Como solución a las desventajas mencionadas anteriormente de los cristales fonónicos, ^[27] propone una novedosa metaestructura reentrante ligera y tridimensional compuesta por un dispersor de haz en forma de cruz incrustado en una placa receptora con orificios basados ​​en el metamaterial de red cuadrada. Combinando el mecanismo de redes de reentrada y la teoría de Floquet-Bloch, sobre la base de la teoría del haz en forma de cruz y el mecanismo de perforación, se demostró que una estructura fonónica tan liviana puede filtrar ondas elásticas en un amplio rango de frecuencia (no solo un región estrecha específica) y al mismo tiempo reduce el peso de la estructura en un grado significativo.

Metamaterial acústico doble negativo

Ondas en fase

Ondas fuera de fase

Izquierda: la parte real de una onda plana que se mueve de arriba a abajo. Derecha: la misma onda después de que una sección central sufrió un cambio de fase, por ejemplo, al pasar a través de heterogeneidades metamateriales de diferente espesor que las otras partes. (La ilustración de la derecha ignora el efecto de la difracción , cuyo efecto aumenta a grandes distancias).

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 incorporadas de modo que las dos funciones de respuesta efectiva sean negativas dentro de la capacidad o alcance 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]

${\displaystyle {\vec {k}}={\frac {\ |n|\omega }{c}}.\,}$

Siendo la frecuencia angular representada por ω , yc 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 que se propague 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 volumétrico y la densidad. Los materiales naturales no tienen una densidad negativa ni un módulo de volumen negativo, pero los valores negativos son matemáticamente posibles y se pueden demostrar al dispersar caucho blando en un líquido. ^{[9] [28] [29]} ${\displaystyle \scriptstyle {\overleftarrow {s}}}$ ${\displaystyle \scriptstyle {\overrightarrow {k}}}$

Incluso para materiales compuestos, el módulo volumétrico efectivo y la densidad normalmente deberían estar limitados 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 un módulo volumétrico positivo y una densidad positiva es intrínseca. Por ejemplo, la dispersión de partículas sólidas esféricas en un fluido da como resultado una 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] [28]} La excepción se produce en frecuencias de resonancia bajas. ^[9]

Como ejemplo, la doble negatividad acústica se demuestra teóricamente con un compuesto de esferas blandas de caucho de silicona suspendidas en agua. ^[9] En el caucho blando, el sonido viaja mucho más lento que a través del agua. El alto contraste de velocidades del sonido entre las esferas de goma y el agua permite la transmisión de frecuencias monopolares y dipolares muy bajas. Se trata de una solución análoga a la solución analítica para la dispersión de radiación electromagnética, o dispersión de ondas electromagnéticas planas , mediante partículas esféricas: esferas dieléctricas . ^[9]

Por lo tanto, existe un rango estrecho de frecuencias normalizadas 0,035 < ωa/(2πc) < 0,04 donde el módulo aparente y la densidad negativa son ambos negativos. Aquí a es la constante de red si las esferas están dispuestas en una red 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 divididos crean una respuesta dipolar eléctrica y dipolar magnética intrínseca. Con este metamaterial acústico construido artificialmente a partir de esferas de caucho y agua, solo una estructura (en lugar de dos) crea resonancias de baja frecuencia para lograr una 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 tanto un módulo volumétrico efectivo negativo como 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 consecuencia de la resonancia y las propiedades de refracción negativas resultantes.

Metamaterial con módulo aparente y densidad de masa simultáneamente negativos

En 2007 se informó sobre un metamaterial que posee simultáneamente un módulo de masa negativo y una densidad de masa negativa. Este metamaterial es una estructura de blenda de zinc que consta de un conjunto fcc de esferas de agua contenidas en burbujas (BWS) y otro conjunto fcc relativamente desplazado de esferas de oro recubiertas de caucho (RGS) en un epoxi especial. ^[30]

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, se trata de un material de base sólida. Esto también es todavía una realización del módulo volumétrico y la densidad de masa simultáneamente negativos en un material de base sólida, lo cual es una distinción importante. ^[30]

Resonadores doble C

Los resonadores doble C (DCR) son anillos cortados por la mitad, que pueden disponerse en múltiples configuraciones de celdas, de manera similar a los SRRS. Cada célula 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 de resonancia √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 formando ángulos con el plano de los cilindros. ^[14]

Se produce una banda prohibida fonónica en asociación con la resonancia del anillo cilíndrico dividido. Existe una banda prohibida fonónica dentro de un rango de frecuencias normalizadas. Es entonces 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 en 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 buena impedancia adaptada al medio circundante,
• una losa plana del metamaterial puede visualizar una fuente a través de la losa como una lente Veselago,
• la imagen formada por la losa plana tiene una resolución de imagen por debajo de la longitud de onda considerable, y
• una doble esquina del metamaterial puede actuar como un resonador abierto del sonido.

Superlente de metamaterial acústico

En 2009, Shu Zhang et al. presentó el diseño y los resultados de las pruebas de una lente metamaterial ultrasónica para enfocar ondas sonoras de 60 kHz (~ 2 cm de longitud de onda) bajo el agua. ^[10] La lente estaba hecha de elementos por debajo de la longitud de onda, potencialmente más compactos que las lentes fonónicas 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 determinadas frecuencias. De manera similar a una red de inductores y condensadores en un metamaterial electromagnético, la disposición de las cavidades de Helmholtz diseñadas 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 del ancho de aproximadamente media longitud de onda, y existe la posibilidad de mejorar aún más la resolución espacial. ^[10] Los resultados estuvieron de acuerdo con el modelo de línea de transmisión, que derivó la densidad de masa efectiva y la compresibilidad. Esta lente metamaterial también muestra una distancia focal variable en diferentes frecuencias. ^{[31] [32]}

Esta lente podría mejorar las técnicas de obtención 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 transportan las características de los objetos por debajo de la longitud de onda. ^[31]

diodo acústico

En 2009 se introdujo un diodo acústico que convierte el sonido a una frecuencia diferente y bloquea el flujo inverso de la frecuencia original. Este dispositivo podría proporcionar más flexibilidad para diseñar fuentes ultrasónicas como las utilizadas en 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 cuentas, que se vuelven más rígidas a medida que se aprietan. El segundo componente es un filtro que permite el paso de la frecuencia duplicada pero refleja la original. ^{[33] [34]}

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 encubrimiento acústico es simplemente desviar las ondas sonoras alrededor del objeto que debe ser encubierto, pero lograrlo ha sido difícil ya que se necesitan metamateriales mecánicos . Hacer un metamaterial de este tipo para un sonido significa modificar los análogos acústicos a la permitividad y permeabilidad en las 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 ^[35] informaron sobre un metamaterial que poseía simultáneamente un módulo de masa y una densidad de masa negativos.

En 2011 se demostró un dispositivo de metamaterial de laboratorio que es aplicable a ondas de ultrasonido para frecuencias de 40 a 80 kHz. La capa acústica 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 ha sido descrito como un conjunto de cavidades que en realidad reducen la velocidad de las ondas sonoras que se propagan. 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 quedaron ocultos del sonar. ^{[32] [36] [37] [38] [39]}

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. ^{[40] [41]}

Computación cuántica con metamateriales acústicos

Los investigadores han demostrado un método de computación de tipo cuántico utilizando metamateriales acústicos. ^{[42] [43] [44]} Recientemente se han demostrado operaciones similares a la puerta Controlled-NOT (CNOT), un componente clave en la computación cuántica. ^[43] Al emplear un metamaterial acústico no lineal, que consta de tres guías de ondas acopladas elásticamente, el equipo creó análogos de qubits clásicos llamados phi-bits lógicos. Este enfoque permite operaciones de puerta CNOT escalables, sistemáticas y predecibles mediante una simple manipulación física. Esta innovación es prometedora para el campo de la computación cuántica utilizando metamateriales acústicos.

Ver también

• Dispersión acústica
• Encubrimiento metamaterial
• metamaterial
• Absorbedor de metamaterial
• Antenas metamateriales
• Metamateriales de índice negativo.
• Metamateriales fotónicos
• cristal fotónico
• Metamateriales sísmicos
• Resonador de anillo partido
• Superlente
• Metamateriales sintonizables
• Óptica de transformación

Libros

• Manual de metamateriales
• Metamateriales: exploraciones de física e ingeniería

Científicos de metamateriales

• Richard W. Ziolkowski
• Pierre Deymier
• John Pendry
• David R. Smith
• Nader Engheta
• Vladimir Shalaev

Referencias

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2. DT, Emerson (diciembre de 1997). "El trabajo de Jagadis Chandra Bose: 100 años de investigación sobre ondas milimétricas". Transacciones IEEE sobre teoría y técnicas de microondas . 45 (12): 2267. Código bibliográfico : 1997ITMTT..45.2267E. doi : 10.1109/22.643830.Una instalación de la NSF proporciona material adicional al artículo original: El trabajo de Jagadis Chandra Bose: 100 años de investigación de ondas MM.
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Otras lecturas

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• Colmillo, Nicolás; Xi, Dongjuan; Xu, Jianyi; Ambati, Muralidhar; Srituravanich, Werayut; Sol, Cheng; Zhang, Xiang (2006). "Metamateriales ultrasónicos con módulo negativo" (PDF) . Materiales de la naturaleza . 5 (6): 452–6. Código bibliográfico : 2006NatMa...5..452F. doi :10.1038/nmat1644. PMID  16648856. S2CID  11216648. Archivado desde el original (PDF) el 23 de junio de 2010.
• Zhang, Shu; Xia, Chunguang; Colmillo, Nicolás (2011). "Capa acústica de banda ancha para ondas de ultrasonido". Cartas de revisión física . 106 (2): 024301. arXiv : 1009.3310 . Código bibliográfico : 2011PhRvL.106b4301Z. doi : 10.1103/PhysRevLett.106.024301. PMID  21405230. S2CID  13748310.
• Pendry, JB; Li, Jensen (2008). "Un metafluido acústico: realización de un manto acústico de banda ancha". Nueva Revista de Física . 10 (11): 115032. Código bibliográfico : 2008NJPh...10k5032P. doi : 10.1088/1367-2630/10/11/115032 .
• Richard V. Craster, et al .: Metamateriales acústicos: refracción negativa, imágenes, lentes y encubrimiento. Springer, Dordrecht 2013, ISBN 978-94-007-4812-5 . 

enlaces externos

• Cristales fonónicos
• Materiales de índice de refracción negativo.
• camuflaje acústico