El túnel de sonido de una vía ofrece nueva forma de controlar ondas acusticas

Fuente: Phys.org
Traducido por Carlos Chocontá

(a) los dos metamateriales acústicos tienen diferentes patrones de canales, los cuales son colocados en lados diferentes del túnel de manera que puedan afectar las ondas de manera diferente dependiendo de cual dirección vienen. (b) y (c) Fotografías del tunel abierto. Crédito: Zhu, y otros. ©2015 AIP Publishing  

Científicos han diseñado y construido un túnel acústico de una vía que permite al sonido atravesarlo en una sola dirección, bloqueando su paso en dirección opuesta. El túnel es completamente abierto a la luz y el calor, los cuales pueden pasar en ambas direcciones, pero las ondas sonoras son bloqueadas en una dirección debido a metamateriales acústicos colocados a los lados del túnel. El tunel acústico de una vía tiene usos potenciales en ventanas antiruido y ductos de ventilación, así como en ultrasonido de uso médico.

Los investigadores Yi-Fan Zhu, Xin-Ye Zou, Bin Liang y Jian-Chun Cheng, de Nanjing University en China, han publicado una investigación sobre el tunel acústico de una vía en una edición reciente de Applied Physics Letters.

"Se cree que los dispositivos acústicos de una vía tienen implicaciones profundas en varias situaciones al romper el concepto tradicional de que el sonido siempre se propaga simétricamente en un camino dado." Liang dijo a Phys.org, notando algo de su trabajo anterior aquí, aquí y aquí. "El logro de un túnel acústico de una vía va más allá de simplemente romper con esa limitación, y permite la manipulación acústica de una vía cuando el camino acústico se mantiene totalmente abierto a otros fenómenos. Previmos nuestro diseño con capacidades y tonabilidad innovadores para ofrecer mayores posibilidades de diseño, y hay posibilidades prometedoras de aplicación en varios escenarios donde se requiere manipulación especial del sonido."

El nuevo túnel aprovecha las extraordinarias capacidades reflexivas de metamateriales acústicos recientemente desarrollados, que fuerzan las ondas sonoras que vienen de cierta dirección a hacer un giro de 180 grados en el túnel (de 10 cm de ancho), para salir por donde entraron. Con posicionamiento estratégico de dos metamateriales acústicos con propiedades reflexivas diferentes a lo largo del interior del túnel, los investigadores pudieron manipular asimétricamente las ondas sonoras, de manera que sólo aquellas viajando en una dirección se reflejaran, mientras que aquellas viajando en dirección opuesta pueden pasar.

(Arriba) Cuando una onda acústica entra por el lado con "metamaterial acústico 1" (AM1), hace un giro de 180 grados y se refleja de regreso, mientras la mayor parte de una onda acústica viajando del otro lado con "metamaterial acústico 2" (AM2) puede pasar.  (Abajo) Simulación de patrones de campo acústico para la dirección negativa (ND) que no permite paso de onda acústica y dirección positiva (PD). Crédito: Zhu, y otros. ©2015 AIP Publishing

Los investigadores imprimieron los metamateriales acústicos usando un impresora 3D con plástico ABS (acrilonitrilo butadieno estireno), el cual es el mismo material para hacer piezas de Lego. Luego, ellos crearon múltiples surcos diminutos en los dos metamateriales con diferentes periodos de surco (0.84 cm y 2.36 cm), los cuales le dieron diferentes propiedades reflexivas. Los diseños de surcos creados afectan las ondas sonoras diferentemente dependiendo de cual dirección provienen, lo que finalmente lleva a la manipulación asimétrica y transmisión de una vía.

Aunque otros métodos han sido desarrollados para el control unidireccional del sonido, todos los diseños previos han dependido en materiales voluminosos. El problema de esos materiales voluminosos es que bloquean parcialmente el túnel, de manera que no está completamente abierto a otros fenómenos, como la luz y el calor.

Como el nuevo túnel permite a la luz y el calor pasar libremente en ambas direcciones mientras se bloquea la transmisión de sonido en una dirección, esto podría llevar a la creación de ventanas antiruido que sean transparentes y ventiladas, y puede inspirar la investigación del control unidireccional de otros tipos de ondas.

"El túnel acústico de una vía también puede permitir la aparición de dispositivos conceptuales como nuevos canales de ventilación que bloqueen el sonido desde un lado pero permitan el paso libre de flujo de aire o calor, o servirá como bloque de construcción de sistemas más complejos que reduzcan la onda reflejada pero no permitan el paso de otros objetos, lo cual puede encontrar muchas aplicaciones en los campos de control de ruido o de imágenes o tratamientos biomédicos, etc.", dijo Liang.

En el futuro, los investigadores planean mejorar el desempeño del tunel de una vía , por ejemplo mediante aumento de la eficiencia y ampliación del ancho de banda. Ellos también quieren crear métodos de manipulación del sonido en formas aún más innovadoras, más allá de la manipulación en una vía demostrada en su actual trabajo, mientras se mantiene el camino acústico completamente abierto.

Explore más: Nuevo dispositivo con metamateriales enfoca ondas sonoras como un lente de cámara.

Más información: Yi-Fan Zhu, y otros. "Acoustic one-way open tunnel by using metasurface." Applied Physics Letters. DOI: 10.1063/1.4930300
Revista de referencia: Applied Physics Letters