Los investigadores de metamateriales de la Universidad de Duke han demostrado el diseño y la construcción de un material delgado que puede controlar la redirección y la reflexión de las ondas sonoras con una eficiencia casi perfecta.
Si bien se han propuesto muchos enfoques teóricos para diseñar un dispositivo de este tipo, han tenido dificultades para controlar simultáneamente la transmisión y el reflejo del sonido exactamente de la manera deseada, y ninguno se ha demostrado experimentalmente.
El nuevo diseño es el primero en demostrar un control completo y casi perfecto de las ondas sonoras y se fabrica rápida y fácilmente con impresoras 3-D. Los resultados aparecen en línea el 9 de abril Comunicaciones de la naturaleza .
"Controlar la transmisión y la reflexión de las ondas sonoras de esta manera era un concepto teórico que no tenía un camino para la implementación; nadie sabía cómo diseñar una estructura práctica utilizando estas ideas", dijo Steve Cummer, profesor de ingeniería eléctrica e informáticaen Duke: "Resolvimos ambos problemas. No solo descubrimos una forma de diseñar un dispositivo de este tipo, sino que también podríamos hacer uno y probarlo. Y he aquí, realmente funciona".
El nuevo diseño utiliza una clase de materiales llamados metamateriales: materiales artificiales que manipulan ondas como la luz y el sonido a través de su estructura en lugar de su química. Por ejemplo, si bien este metamaterial en particular está hecho de plástico impreso en 3-D, no esLas propiedades del plástico son importantes: son las formas de las características del dispositivo las que le permiten manipular las ondas de sonido.
El metamaterial está hecho de una serie de filas de cuatro columnas huecas. Cada columna mide casi media pulgada de lado con una abertura estrecha cortada en el medio de un lado, lo que hace que parezca la Ethernet más profunda del mundoSi bien el dispositivo demostrado en el documento mide 1.6 pulgadas de alto y casi 3.5 pies de largo, su altura y ancho son irrelevantes, en teoría podría extenderse para siempre en cualquier dirección.
Los investigadores controlan cómo el dispositivo manipula el sonido a través del ancho de los canales entre cada fila de columnas y el tamaño de la cavidad dentro de cada columna individual. Algunas columnas están completamente abiertas mientras que otras están casi cerradas.
Para entender por qué, piense en alguien soplando aire a través de la parte superior de una botella de vidrio: el tono que hace la botella depende de la cantidad de líquido que queda dentro de la botella. Del mismo modo, cada columna resuena a una frecuencia diferente dependiendo de cuántose rellena con plástico
A medida que una onda de sonido viaja a través del dispositivo, cada cavidad resuena a su frecuencia prescrita. Esta vibración no solo afecta la velocidad de la onda de sonido sino que interactúa con sus cavidades vecinas para domar tanto la transmisión como la reflexión.
"Los dispositivos anteriores podían dar forma y redirigir las ondas de sonido al cambiar la velocidad de diferentes secciones del frente de onda, pero siempre había dispersión no deseada", dijo Junfei Li, un estudiante de doctorado en el laboratorio de Cummer y primer autor del artículo. "Ustedtiene que controlar tanto la fase como la amplitud de la transmisión y el reflejo de la onda para alcanzar eficiencias perfectas "
Para hacer las cosas más complicadas, las columnas vibratorias no solo interactúan con la onda de sonido, sino también con sus columnas circundantes. Li necesitaba escribir un 'programa evolutivo de optimización informática' para trabajar a través de todas las permutaciones de diseño.
Los investigadores alimentan al programa las condiciones de contorno necesarias en cada lado del material para determinar cómo quieren que se comporten las ondas salientes y reflejadas. Después de probar un conjunto aleatorio de soluciones de diseño, el programa mezcla varias combinaciones de las mejores soluciones, introduce"mutaciones" aleatorias, y luego ejecuta los números nuevamente. Después de muchas iteraciones, el programa eventualmente "desarrolla" un conjunto de parámetros de diseño que proporcionan el resultado deseado.
En el documento, Cummer, Li y sus colegas demuestran que uno de estos conjuntos de soluciones puede redirigir una onda de sonido que llega directamente al metamaterial a un ángulo saliente de 60 grados con una eficiencia del 96 por ciento. Los dispositivos anteriores habrían tenido la suerte delograr una eficiencia del 60 por ciento en tales condiciones. Si bien esta configuración particular fue diseñada para controlar una onda de sonido a 3.000 Hertz, un tono muy alto que no es diferente a un "zumbido en los oídos", los metamateriales podrían escalarse para afectar a casi cualquierlongitud de onda del sonido.
Los investigadores y sus colaboradores están planeando transferir estas ideas a la manipulación de ondas de sonido en el agua para aplicaciones como el sonar, aunque no hay ideas para aplicaciones en el aire. Al menos todavía no.
"Cuando hablo de ondas, a menudo recurro al análogo de una lente óptica", dijo Cummer. "Si intentara hacer anteojos realmente delgados utilizando los mismos enfoques que este tipo de dispositivos han estado utilizando para el sonido, lo haríanapestoso. Esta demostración ahora nos permite manipular ondas de sonido con extrema precisión, como una lente para un sonido que sería mucho mejor de lo que era posible antes ".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Duke . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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