Los metamateriales generalmente se identifican indicando que es un materials construido que tiene características que no se observan en la naturaleza. Como demostró el último weblog, los metamateriales a nanoescala se pueden diseñar para funcionar bien en la porción óptica y casi óptica del espectro electromagnético. También hay metamateriales que están en la escala milimétrica. Este weblog cubrirá la modificación de ondas de sonido con metamateriales.
Una declaración muy generalizada sobre los metamateriales en el dominio de la frecuencia es que es posible colocar el materials de tal manera que inhiba el flujo de energía. Al igual que con los ejemplos ópticos de los últimos blogs, es posible crear estructuras que actúan como si tuvieran propiedades negativas del materials regular. Una presentación interesante (Árbitro. 1) proporciona un alto nivel de diversos medios para alterar las propiedades del materials con el fin de impactar las ondas acústicas (sonido).
La función del metamaterial para modificar las ondas acústicas se crea mediante el desarrollo de geometrías que crean retrasos de fase en porciones del frente de onda que provocan una cancelación del frente de onda. Figura 1a representa una onda sinusoidal en rojo. Figura 1b muestra la adición de un segundo frente de onda en azul que está precisamente fuera de fase con la primera onda. El resultado neto es la línea verde recta que es la suma de las dos ondas. Más detalles, incluidas las matemáticas involucradas, se presentan en Referencia 2.
Entonces, la pregunta es “¿Qué puede lograr realmente este tipo de dispositivo?” Por lo common, se emplean materiales grandes y pesados para mitigar los ruidos. Las barreras típicamente “sonoras” a lo largo de los lados de las autopistas en las ciudades son un excelente ejemplo de ese enfoque. Pero, para las personas que necesitan protección para trabajar en un entorno ruidoso, el trabajo pesado y voluminoso no es una solución. Referencia 3 presenta un trabajo en estructuras al borde de la carretera más pequeñas, no grandes, a escala que se realizó en el laboratorio de la Universidad de Boston del profesor Xin Zhang.
Entonces, si uno tiene los conocimientos matemáticos y el poder de cómputo para calcular la forma de la estructura deseada, ¿cómo prueba que funciona? Los investigadores decidieron crear una estructura que cancelara el sonido de un altavoz. Figura 2 A continuación se muestra una imagen de la configuración experimental. El enlace del vídeo a su funcionamiento es Referencia 4.
La parte inferior de la Figura 2 muestra el sonido que sale del tubo de plástico y el aumento del sonido, mostrado por el área azul más grande, es evidente cuando se quita el silenciador acústico. Sus cálculos indican que han reducido el nivel de ruido en un 94%.
¿Cómo se ve ese “tapón” acústico? La imagen de abajo, figura 3es el enchufe, que es un metamaterial impreso en 3D, que modifica las ondas acústicas en el video en Figura 2 (Árbitro. 4).
Si bien esta estructura parece ser easy, el inside actual no se describió en ninguno de los artículos sobre su trabajo. Para lograr la cancelación de sonido, la estructura es compleja. Hay un video de la Universidad de Duke (Árbitro. 5) que proporciona una explicación de la modificación de las ondas acústicas. Figura 4 a continuación se muestra una imagen del video en Referencia 5 con los investigadores describiendo cómo las diferentes formas y longitudes impactan el sonido para modificarlo.
Obviamente, la estructura requiere algunos cálculos de diseño serios. La capacidad de cambiar las propiedades de las ondas sonoras con metamateriales de gran tamaño se debe al hecho de que las ondas sonoras tienen longitudes de onda medidas en pulgadas.
Es posible que este tipo de dispositivos reemplacen las pesadas particiones que bloquean el sonido a lo largo de las carreteras por otras más livianas y posiblemente menos costosas diseñadas específicamente para reducir los ruidos del tráfico y permitir sonidos más tradicionales del vecindario.
Referencias:
- https://www.esa.int/gsp/ACT/doc/EVENTS/acoustic_workshop/ACT-PRE-0914-valencia-review_acoustic_metamaterial.pdf
- https://www.nature.com/articles/s41467-018-03839-z
- https://phys.org/information/2019-03-acoustic-metamaterial-cancels.html
- https://youtu.be/Fd1D42dVxS0
- https://youtu.be/pNsnvRHNfho
