Ultrasonic transmission through periodically perforated plates

Abstract

Las estructuras periódicas macroscópicas han sido objeto de una intensa investigación durante las dos últimas décadas debido a su capacidad de imitar fenómenos ondulatorios que son inherentes a la escala atómica. Aunque las placas perforadas son estructuras muy comunes en acústica, éstas parecen guardar propiedades de transmisión de sonido inexploradas, cuyo estudio ha sido impulsado por el descubrimiento de la Transmisión Óptica Extraordinaria en láminas de metal perforadas con agujeros distribuidos periódicamente cuando interactúan con la luz. En el presente trabajo se muestra que las placas perforadas no sólo presentan máximos de transmisión total resonante y mínimos de la anomalía de Wood cuando los agujeros están distribuidos de forma periódica, sino también apantallamiento acústico extraordinario debido al cortocircuito hidrodinámico producido por el acoplamiento entre la placa y el fluido. También se detalla el rol de los parámetros geométricos de las placas perforadas en las características de transmisión, ilustrando diferentes estrategias para moldear el espectro de transmisión. La transmisión acústica a través de placas de aluminio con perforaciones regulares sumergidas en agua presenta una alta complejidad tanto a incidencia normal como cuando se varía el ángulo de incidencia del sonido. Aparecen ondas de superficie radiantes provenientes de la vibración de la placa, lo cual es demostrado usando un nuevo modelo teórico que incluye el acoplamiento elastoacústico completo. Gracias al estudio complementario de la transmisión y la propagación en placa de una placa fonónica sólido-sólido se retrata una perspectiva completa del efecto del acoplamiento. Como consecuencia directa, se observan fenómenos de plegamiento y bandas de propagación prohibida en modos tipo Scholte-Stoneley sin necesidad de corrugaciones o de agujeros. Finalmente, se comparan las propiedades de transmisión de agujeros individuales y redes de agujeros para luz, electrones y sonido analizando y comentando sus diferencias. Se ha encontrado que, aunque para la luz la red de agujeros en sí misma lleva a transmisiones del 100% y modos atrapados a la superficie, esto no se produce ni para electrones ni para sonido. En consecuencia, las resonancias del agujero constituyen el mecanismo clave que posibilita la existencia de fenómenos exóticos en sonido. Los resultados principales aquí mencionados son explicados de manera detallada y comentados sobre la base de datos teóricos y experimentales. El objetivo general de esta tesis es dilucidar por medios teóricos y experimentales los fenómenos físicos que se hayan involucrados en la transmisión acústica a través de placas perforadas. En este estudio se usa esencialmente el método de transmisión de ultrasonidos bajo el agua. Los modelos teóricos desarrollados tienen en cuenta la configuración experimental para poder establecer comparaciones precisas entre las medidas y los cálculos. Se toman en cuenta diversos factores que pueden modificar la transmisión de sonido a través de placas perforadas tales como: - La orientación de la onda incidente con respecto a la placa. .- Los parámetros geométricos que definen la placa, es decir, la distancia entre agujeros, el diámetro de los mismos y el espesor de la placa. .- Los parámetros elásticos relacionados con el contraste de impedancia entre el sólido y el fluido. .- El material contenido en los agujeros, de modo que se estudian no sólo placas fonónicas constituidas por un fluido y un sólido sino también aquellas formadas por dos sólidos distintos. Para el caso particular de una placa fonónica constituida por dos sólidos se emplea además una técnica para medir las vibraciones de la placa directamente en su superficie con el fin de complementar las medidas de transmisión de ultrasonidos. Desde una perspectiva teórica, el problema ha sido abordado para estructuras infinitas partiendo de diversas hipótesis.