Esta superficie de metamaterial ha sido diseñada para controlar perfecta y simultáneamente la transmisión y el reflejo de las ondas sonoras entrantes. Crédito:Junfei Li
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 el reflejo 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 luchado por controlar simultáneamente tanto la transmisión como la reflexión del sonido exactamente de la manera deseada, y ninguno ha sido demostrado experimentalmente.
El nuevo diseño es el primero en demostrar una completa, control 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 en Comunicaciones de la naturaleza .
"Controlar la transmisión y el reflejo de las ondas sonoras de esta manera era un concepto teórico que no tenía un camino de implementación; nadie sabía cómo diseñar una estructura práctica usando estas ideas, "dijo Steve Cummer, profesor de ingeniería eléctrica e informática en Duke. "Resolvimos ambos problemas. No solo descubrimos una manera de diseñar un dispositivo de este tipo, 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, mientras que este metamaterial en particular está hecho de plástico impreso en 3D, no son las propiedades del plástico las que son importantes, son las formas de las funciones del dispositivo las que le permiten manipular las ondas sonoras.
El metamaterial está formado por 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, haciéndolo lucir como el puerto Ethernet más profundo del mundo. Si bien el dispositivo que se muestra en el documento mide 1.6 pulgadas de alto y casi 3.5 pies de largo, su altura y anchura son irrelevantes; en teoría, podría extenderse eternamente 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 abiertas de par en par, mientras que otras están casi cerradas.
El espacio entre las filas y la cantidad que se llena cada columna individual trabajan juntos para controlar perfectamente la transmisión y el reflejo de una frecuencia específica de sonido a medida que pasa. Crédito:Junfei Li
Para entender por qué piense en alguien que sopla aire a través de la parte superior de una botella de vidrio; el lanzamiento de la botella depende de la cantidad de líquido que queda dentro de la botella. Similar, cada columna resuena a una frecuencia diferente dependiendo de la cantidad de plástico que esté llena.
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 controlar tanto la transmisión como la reflexión.
"Los dispositivos anteriores podían dar forma y redirigir las ondas de sonido cambiando la velocidad de diferentes secciones del frente de onda, pero siempre hubo esparcimiento indeseado, "dijo Junfei Li, estudiante de doctorado en el laboratorio de Cummer y primer autor del artículo. "Tienes que controlar tanto la fase como la amplitud tanto de la transmisión como de la reflexión de la onda para acercarte a las eficiencias perfectas".
Para complicar las cosas las columnas vibratorias no solo interactúan con la onda de sonido, pero 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 el programa con las condiciones de contorno necesarias en cada lado del material para dictar 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 vuelve a ejecutar los números. Después de muchas iteraciones, el programa eventualmente "evoluciona" un conjunto de parámetros de diseño que proporcionan el resultado deseado.
En el papel, Cummer, Li y sus colegas demuestran que un conjunto de soluciones de este tipo puede redirigir una onda de sonido que llega directamente al metamaterial a un ángulo de salida nítido de 60 grados con una eficiencia del 96 por ciento. Los dispositivos anteriores habrían tenido la suerte de lograr una eficiencia del 60 por ciento en tales condiciones. Si bien esta configuración en particular fue diseñada para controlar una onda de sonido en 3, 000 Hertz, un tono muy alto que no es muy diferente a obtener un "zumbido en los oídos", los metamateriales se pueden escalar para afectar casi cualquier longitud de onda de sonido.
Los investigadores y sus colaboradores planean ahora transferir estas ideas a la manipulación de ondas sonoras en el agua para aplicaciones como sonar, aunque no hay ideas para aplicaciones en el aire. Al menos no todavía.
"Cuando se habla de olas, 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 usando para el sonido, apestarían. 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 anteriormente ".
