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» » Físicos diseñan paredes acústicamente invisibles


Referencia: PhysicsWorld.com .
por Tim Wogan, 31 de mayo 2013

Una pared rígida puede transformarse desde un reflector total de sonido a un transmisor casi perfecto al ser perforado con pequeños agujeros, espaciados regularmente, y cubiertos por una membrana delgada y elástica, dicen los investigadores de Japón y Corea del Sur. El descubrimiento, de una acústica análoga a la transmisión óptica extraordinaria (EOT), podría ser utilizado en los microscopios, filtros de ruido, nuevos tipos de ventanas, concentradores acústicos y muchas otras aplicaciones.


La EOT fue descubierto por Thomas Ebbesen, de la Universidad de Estrasburgo y sus colegas, en 1998. Permite que las ondas electromagnéticas pasen casi sin obstáculos a través de un entramado de agujeros más pequeños que la longitud de onda, que de otro modo sería una barrera opaca en algunos metamateriales. En el descubrimiento de Ebbesen, esto se producía por acoplamiento entre fotones y electrones en la superficie de la barrera.

Transmisiones perfectas

Tras el descubrimiento de Ebbesen, en 2006 otro equipo de investigadores dirigido por Nader Engheta, de la Universidad de Pennsylvania, en Filadelfia, descubrió otro mecanismo que puede conducir a la EOT. Si los agujeros contienen un material con un índice de refracción cercano a cero, la longitud de onda en los agujeros se vuelve extremadamente larga, y por tanto, su velocidad extremadamente grande. Cuanto más rápido vieja la onda más energía transporta, permitiendo así que la energía de todo el frente de onda se comprima a través de los pequeños orificios. Tales materiales se denominan materiales de cero cercano a épsilon (ENZ), debido a que el índice de refracción del material depende de su permitividad --se escribe como épsilon (ε)--, un tipo de inercia eléctrica que es representativa de la resistencia que se encuentra cuando se forma un campo eléctrico en un medio. Un material ENZ casi no ofrece resistencia a tal desplazamiento.

Lo mismo para el sonido

Ahora, Sam Lee, de la Universidad Yonsei en Seúl, Corea del Sur, Oliver Wright de la Universidad de Hokkaido, Japón, y sus colegas, han elaborado un metamaterial análogo de Engheta de ondas sonoras. Igual que las ondas electromagnéticas se propagan como vibraciones en el campo electromagnético de un material, las ondas de sonido viajan como oscilaciones físicas de los átomos. Las ondas sonoras no pueden pasar atravesar una barrera rígida, porque los átomos no pueden oscilar. Y hacer pequeños orificios en la barrera apenas aumentará la transmisión. Lee explica que si, por ejemplo, los orificios tienen un 3% del volumen de la barrera, "para garantizar que fluya un volumen continuo a través de la barrera, el aire en el interior de los orificios debe moverse 30 veces más rápido que el aire de fuera de la barrera. La inercia del aire no permite las enormes aceleraciones necesarias para un movimiento de tal amplitud". Para resolver este problema, los investigadores necesitaban que el aire de los orificios tuviese una inercia de casi cero, el equivalente acústico de un material ENZ.

Lo consiguieron, paradójicamente, al cubrir los agujeros con una fina membrana de comprados en la tienda de cocina se aferran película. Con la tensión sintonizada de tal modo que la frecuencia de resonancia de la membrana es la misma que la frecuencia de las ondas incidentes, la resonancia de la membrana amplifica sus oscilaciones. La resonancia mueve el aire a través de los agujeros, como si el aire no tuviera ninguna inercia, permitiendo que se mueva en respuesta a incluso un mínimo desplazamiento, y succionando casi toda la energía de las ondas incidentes que atraviesan la barrera.

Barreras invisibles

Al otro lado de la barrera, el principio de Huygens dicta que cada agujero produce frentes de onda esféricos. La separación entre los orificios es mucho menor que la longitud de onda de sonido, lo que significa que el patrón de interferencia de las ondas reconstruye el plano de onda de forma mucho menor que la longitud de onda, y la barrera resulta efectivamente invisible para la propagación de ondas.


Los investigadores probaron su diseño de metamaterial acústico colocando una barrera acrílica perforada con cuatro pequeños orificios en un tubo. Los altavoces producen ondas de una sola frecuencia que se colocan en un extremo, y midieron la intensidad de las ondas a cada lado de la barrera. Los resultados fueron notables, descubrieron, por ejemplo, que con la barrera perforada con simples orificios, se transmite sólo el 9% de la energía de las ondas. Y con una membrana colocada sobre los orificios, esta proporción aumentó al 81%. El metamaterial funcionaba tan bien como cuando se coloca en un ángulo oblicuo a los frentes de onda incidente.

Ebbese, que no participó en este trabajo, considera el resultado como una contribución significativa a la acústica con numerosos usos potenciales. "Están hablando de la transmisión, pero de igual manera también se pueden bloquear las ondas de otras frecuencias con sólo añadir esta membrana", comenta, mencionando los filtros de ruido como una de las aplicaciones para lo que podría ser muy útil.

Lentes novedosas

De acuerdo con el equipo, este método se puede utilizar en un rango de frecuencias que serviría igualmente para ecografías. Esto, dicen los investigadores, podría utilizarse para concentrar la energía acústica a través de los pequeños agujeros, formando nuevas lentes. Actualmente están trabajando en la posible aplicación de esta idea en un campo cercano al escáner de microscopía acústica, donde las propiedades de un objeto son estudiadas por las ondas de sonido que refleja. Los investigadores creen que, la concentración de la energía de radiación dentro de los minúsculos orificios, durante el proceso de transmisión podría permitirles alcanzar tanto una muy alta intensidad de señal como de resolución espacial.

La investigación será publicada en la revista Physical Review Letters.


- Imagen: Pared de sonido. Cortesía de iStockphoto.com/3dmentat.
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