Dispositivo Metamaterial Controla la Transmisión y Reflexión de las Ondas Acústicas

Por: Ken Kingery, Universidad de Duke

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 eficacia casi perfecta.

Aunque se han propuesto muchos enfoques teóricos para diseñar un dispositivo de este tipo, se han esforzado por controlar simultáneamente la transmisión y la reflexión del sonido exactamente de la manera deseada, y ninguno se ha demostrado experimentalmente.

El nuevo diseño es el primero que demuestra un control completo y casi perfecto de las ondas sonoras y se fabrica de forma rápida y sencilla con impresoras 3D. Los resultados aparecen en línea el 9 de abril en Nature Communications.

"Controlar la transmisión y la reflexión de las ondas sonoras de esta manera era un concepto teórico que no tenía una vía de aplicación: nadie sabía cómo diseñar una estructura práctica utilizando estas ideas", afirma Steve Cummer, profesor de ingeniería eléctrica e informática de Duke. "Hemos resuelto ambos problemas. No sólo hemos encontrado la forma de diseñar un dispositivo de este tipo, sino que también hemos podido fabricarlo y probarlo. Y he aquí que realmente funciona".

El nuevo diseño utiliza un tipo de materiales denominados metamateriales, es decir, materiales artificiales que manipulan ondas como la luz y el sonido a través de su estructura y no de su química. Por ejemplo, aunque este metamaterial en concreto está hecho de plástico impreso en 3D, lo importante no son las propiedades del plástico, sino las formas de las características del dispositivo que le permiten manipular las ondas sonoras.

El metamaterial está formado por una serie de filas de cuatro columnas huecas. Cada columna tiene casi media pulgada de lado con una estrecha abertura cortada en el centro de uno de los lados, lo que hace que parezca el puerto Ethernet más profundo del mundo. Aunque el dispositivo mostrado en el artículo mide 1,6 pulgadas de alto y casi 3,5 pies de largo, su altura y su anchura son irrelevantes: en teoría, podría extenderse eternamente en cualquier dirección.

Los investigadores controlan la forma en que el dispositivo manipula el sonido mediante la anchura de los canales entre cada fila de columnas y el tamaño de la cavidad dentro de cada columna. Algunas columnas están muy abiertas y otras casi cerradas.

Cuando una onda sonora viaja a través del dispositivo, cada cavidad resuena a su frecuencia prescrita. Esta vibración no sólo afecta a la velocidad de la onda sonora, sino que interactúa con sus cavidades vecinas para dominar tanto la transmisión como la reflexión.

"Los dispositivos anteriores podían moldear y redirigir las ondas sonoras cambiando la velocidad de las distintas secciones del frente de onda, pero siempre había una dispersión no deseada", explica Junfei Li, estudiante de doctorado en el laboratorio de Cummer y primer autor del artículo. "Hay que controlar tanto la fase como la amplitud de la transmisión y la reflexión de la onda para acercarse a las eficiencias perfectas".

Para complicar las cosas, las columnas que vibran no sólo interactúan con la onda sonora, sino también con las columnas que las rodean. Li tuvo que escribir un "programa informático de optimización evolutiva" para analizar todas las posibilidades de diseño.

Los investigadores introducen en el programa las condiciones de contorno necesarias en cada lado del material para dictar cómo quieren que se comporten las ondas salientes y reflejadas. Tras probar un conjunto aleatorio de soluciones de diseño, el programa mezcla varias combinaciones de las mejores soluciones, introduce "mutaciones" aleatorias y vuelve a ejecutar los números. Tras muchas iteraciones, el programa acaba por "evolucionar" un conjunto de parámetros de diseño que proporcionan el resultado deseado.

En el artículo, Cummer, Li y sus colegas demuestran que uno de estos conjuntos de soluciones puede redirigir una onda sonora que llega directamente al metamaterial a un ángulo de salida de 60 grados con una eficacia del 96 por ciento. Los dispositivos anteriores habrían tenido suerte si hubiesen logrado una eficiencia del 60 por ciento en esas condiciones. Aunque este dispositivo en concreto se diseñó para controlar una onda sonora a 3.000 hertzios -un tono muy alto que no difiere del de un "zumbido en los oídos"-, los metamateriales podrían ampliarse para afectar a casi cualquier longitud de onda de sonido.

Los investigadores y sus colaboradores tienen previsto trasladar estas ideas a la manipulación de las ondas sonoras 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, suelo recurrir a la analogía de una lente óptica", dice Cummer. "Si se tratara de fabricar unas gafas muy finas con los mismos planteamientos que este tipo de dispositivos han utilizado para el sonido, molestarían. Esta demostración nos permite ahora manipular las ondas sonoras con extrema precisión, como si se tratara de una lente para el sonido que sería mucho mejor de lo que era posible hasta ahora".

Más información en: https://phys.org/news/2018-04-metamaterial-device-transmission-acoustic.html#jCp

Más información: Junfei Li et al, Diseño sistemático y demostración experimental de metasuperficies bianisotrópicas para la manipulación sin dispersión de frentes de onda acústicos, Nature Communications (2018). DOI: 10.1038/s41467-018-03778-9