Este 'metamaterial' controla de qué manera se refleja el sonido controlando la velocidad y amplitud de la onda de sonido a través de los canales y formas construidas dentro de él. Crédito:Steve Cummer, Universidad de Duke
Investigadores de la Universidad de Duke y la Universidad de Aalto (Finlandia) han construido un dispositivo "meta-espejo" capaz de reflejar perfectamente las ondas sonoras en cualquier dirección. La demostración de prueba de principio es análoga a mirarse directamente en un espejo y solo ver a la persona que está a su lado en lugar de su propia cara.
La investigación apareció en línea el 15 de febrero en la revista Avances de la ciencia .
"Cuando te miras en un espejo de todos los días, la luz sigue la Ley de Reflexión:la luz debe rebotar en el mismo ángulo en el que entró, "dijo Junfei Li, estudiante de doctorado en ingeniería eléctrica e informática en la Universidad de Duke. Las mismas reglas se aplican generalmente al sonido, pero "queríamos ver si podíamos enviar una ola en una dirección diferente".
Para romper la ley de la reflexión con ondas sonoras, los investigadores tuvieron que diseñar un dispositivo que pudiera controlar con precisión la amplitud (volumen) y la velocidad en toda la onda, que es incluso más difícil de lo que parece.
"Una forma de lograr esto es lanzando mágicamente una onda de sonido controlada con precisión que 'golpea' la onda de sonido entrante como bolas en una mesa de billar, ", dijo Li." Pero intentar hacer eso causaría tantos problemas que no es una idea práctica ".
En lugar de recurrir a la magia, Li y sus colegas recurrieron a los 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 el metamaterial particular que diseñaron los investigadores está hecho de plástico, no son las propiedades del plástico las que son importantes; son las formas de las funciones del dispositivo las que le permiten dirigir las ondas sonoras en cualquier dirección.
El 'meta-espejo' fue diseñado cuidadosamente para hacer que una onda de sonido que llega directamente a él se refleje en un ángulo diferente sin pérdidas por dispersión. Crédito:Steve Cummer, Universidad de Duke
La superficie del metamaterial se parece mucho a una onda en sí misma, grabado con una serie de canales de varias profundidades. Esas profundidades están diseñadas para controlar con precisión la velocidad a la que la onda de sonido se refleja en varios puntos del meta-espejo. Su posicionamiento en forma de onda controla la amplitud de la onda de sonido.
"Debido a que una onda sonora transporta energía, hay que darle una patada para redirigirlo, "dijo Steve Cummer, profesor de ingeniería eléctrica e informática en Duke. "Pero para hacer esto a la perfección, o tienes que redistribuir activamente la energía a lo largo de la superficie del meta-espejo, que no es factible, o tienes que elegir inteligentemente una forma en la que la distribución de energía termine siendo la misma en todas partes ".
Como una onda de sonido golpea el meta-espejo, se refleja en sus superficies curvas e interfiere consigo mismo. Entre la forma del meta-espejo y la profundidad de sus canales, este patrón de interferencia da como resultado que la onda de sonido se refleje en una dirección deseada sin que su energía sea absorbida o dispersada en una dirección no deseada.
En la demostración de prueba de concepto, el dispositivo de metamaterial toma una onda de sonido que viaja directamente hacia él en 3, 000 Hertz, un tono muy alto no muy diferente a tener un "zumbido en los oídos, "y lo refleja perfectamente en un ángulo de 70 grados.
Modelos teóricos y resultados experimentales de una onda de sonido (frentes rojos y azules alternos) que se reflejan en una dirección extraña fuera de un 'meta-espejo' relativamente plano. Crédito:Steve Cummer, Universidad de Duke
Si bien el dispositivo prototipo está diseñado específicamente para una frecuencia y ángulo de reflexión, los investigadores planean buscar un dispositivo dinámico que pueda cambiar de forma para reflejar diferentes frecuencias en diferentes direcciones. También planean trabajar en dispositivos similares para aplicaciones de acústica subacuática.
También se podría crear un dispositivo similar para controlar las ondas de luz, aunque sus características tendrían que diseñarse a una escala mucho menor, porque las longitudes de onda de la luz son más cortas. Tal dispositivo no solo podría reflejar la luz en diferentes direcciones, sin embargo, también podría dividir una sola onda en dos direcciones arbitrarias.
"No solo descubrimos una manera de diseñar metasuperficies altamente eficientes, también podemos adaptar el diseño para diferentes funcionalidades, "dijo Ana Díaz-Rubio, investigador postdoctoral en la Universidad de Aalto que dirigió el trabajo sobre la teoría subyacente del proyecto. "Estas metasuperficies son una plataforma versátil para el control arbitrario de la reflexión".
