Diseño y optimización de lentes acústicas de índice de refracción variable para la focalización de ultrasonidos en agua

Abstract

En este trabajo se analizan las propiedades de propagación de las ondas sonoras en un sistema con simetría axial cuyos dispersores son toroides rígidos. El objetivo es el diseño, construcción y caracterización de un sistema para la focalización eficiente de las ondas mediante elementos pasivos (lente acústica). Mediante simulaciones numéricas en el dominio frecuencial, basadas en el método de los elementos finitos, se muestra la posibilidad de control espectral y espacial de las ondas acústicas propagándose a través de una estructura de compuesta de dispersores de tipo toroidal. El interés del uso de estructuras axisimétricas para la focalización radica en que ésta es la simetría presente en la mayoría de las fuentes acústicas tanto en el rango audible como en ultrasonidos. En el trabajo se discuten los resultados numéricos y los datos experimentales que se han obtenido para una lente axisimétrica que trabaja en el rango de grandes longitudes de onda (régimen de homogenización) y se comporta como un lente con un gradiente espacial de índice de refracción. Las propiedades de focalización y la caracterización del foco obtenido mediante esta lente son el eje principal de este trabajo. El sistema está diseñado bajo la suposición de que las ondas se propagan en el régimen de la acústica lineal, y por tanto podría ser totalmente re-escalado a otros rangos de frecuencia. Con vistas a futuras aplicaciones en un futuro se aplicación en ultrasonidos, donde la focalización cobra importancia en diversas aplicaciones.

The properties of sound wave propagation in a sonic crystal with axial symmetry is analyzed. The scatters are rigid toroids. The aim is the design, construction and characterization of a system to get an high focalization of waves through passive elements (acoustic lens). The control of the frequency and spatial spectrum of the system is shown by means of numerical simulations in the frequency domain. Axi-symmetrical structures have been used for focalization purposes because it is the kind of symmetry found in most of the acoustic sources in the audible range as well as in ultrasound. The paper deals with the numerical results and the experimental data obtained for an axi-symmetrical lens working in the long wave length regime and behaves as a lens with a spatial gradient of refraction index. The system is designed under the supposition that the waves propagate according to lineal acoustic equations, and therefore it may be scaled to other frequency ranges.