Focalización del sonido mediante estructuras periódicas tridimensionales

Abstract

En un medio continuo e isótropo, una onda acústica se propaga de manera omnidireccional. Sin embargo, para algunas aplicaciones, puede ser útil restringir la difusión de una señal sonora dentro de un espacio finito. Los cristales de sonido son medios periódicos que tienen algunas propiedades acústicas en función de la disposición de los elementos que los componen, en particular la banda prohibida (rango de frecuencias no-transmitidas por el cristal) y la focalización del sonido (como para la lentes convergentes en óptica) gracias a la refracción negativa. El objeto de este estudio es utilizar un cristal de sonido tridimensional para focalizar una fuente de ultrasonidos y así determinar la evolución de la distancia focal en función de la frecuencia de la señal emitida. Esta evolución corresponde mucho al comportamiento esperado determinado de manera analítica. La anchura del haz en a las distancias focales ha sido medida también: el haz se concentra más en la secunda banda de propagación que en la primera. Además, la experiencia demuestra de nuevo la existencia de la banda prohibida alrededor de los 260 kHz. Los resultados tienen incertidumbres debidas a la precisión del montaje y a las reflexiones en el tanque. Un estudio futuro de la conservación de la estructura interna del cristal a través del haz saliendo del medio en campo cercano y lejano en función de la frecuencia podría ser interesante. In a continuous and isotropic medium, an acoustic wave propagates in an omnidirectional way. Nevertheless, for some applications, the diffusion of a sound signal should be restricted in a finite space. Sonic crystals are periodic mediums which possess some acoustic properties in accordance with the disposition of the elements which form that medium, particularly the band gap (frequency range which is not transmitted by the crystal) and sound focalization (like convergent lenses in optics) due to negative refraction. The aim of this study is to use a tridimensional sonic crystal for focusing an ultrasonic source and draw the focal distance's evolution according to the frequency of the signal. That evolution strongly corresponds to the expected behavior firstly determined in an analytic way. The beam size at the focal distances has also been drawn: the beam focuses more in the second propagation mode than in the first one. Besides, the experiment demonstrates the band gap's existence near the 260 kHz. The results present uncertainty among others due to the crystal and transducer's positioning and wave reflections in the water-filled tank. An interesting future study would be to observe the beam forms according to the frequency of the emitted signal.