Sound Scattering by Lattices of Heated Wires

Abstract

[EN] The aim of this work is to demonstrate theoretically and experimentally how acoustic wave propagation can be controlled by temperature gradients. Starting with the simplest case of two hot wires in air the study extends over periodic structures known as Sonic Crystals (SCs). The Finite Elements Method (FEM) has been employed to perform numerical simulations in order to demonstrate collimation and focusing effect of acoustic waves in two-dimensional (2D) SC whose filling fraction is adjusted by temperature gradients. As a part of the research, Bragg reflection and Fabry-Perot type of acoustic effects are investigated for the proposed type of SC. As example, a SC with desired transmittance can be tailored. Also, gradient index (GRIN) 2D sonic lenses are studied. Using parallel rows of heated wires whose temperatures vary according to a prefixed gradient index law a GRIN lens can be designed with a given performance. Moreover, by changing the temperature of the wires a change in the filling fraction inside the GRIN SC can be achieved. Thus, the local refraction index, which is directly related to the filling fraction, is changed too and an index gradient variation inside the GRIN SC is obtained. This GRIN SC is a direct analogy of gradient media observed in nature. Like their optical counterparts, the investigated 2D GRIN SC lenses have flat surfaces and are easier for fabrication than curved SC lenses. The bending of sound waves obtained by GRIN acoustics structures can be used to focusing and collimating acoustic waves. Another aspect of this work is about tuning some SC properties as effective refractive index, effective mass density, etc. in order to obtain a SC with prefixed properties. Since active tuning of the phononic band gaps is certainly desirable for future applications with enhanced functionalities, few attempts have been made to develop tunable SCs thus far. By controlling the incident angle or operating frequency, a GRIN SC can dynamically adjust the curved trajectory of acoustic wave propagation inside the SC structure. Among the last studies of tunable SCs, the filling fractions were tuned either by direct physical deformation of the structure or external stimuli. The former is impractical for most applications and the latter often requires very strong stimuli to produce only modest adjustment. In this work another way to tune the SC properties is proposed. Hot and cold media have different density, speed of sound, refractive index, etc. in comparison with the same properties at normal conditions, so inserting temperature gradients inside the medium can be used to tune the SC properties in certain limits. The proposed way to obtain temperature gradients inside SC is by wires made of Nicrom which are heated by electrical currents. There are some important advantages of this method. First, changing the electrical current intensity through the wires the SC properties can be changed dynamically. Second, it is relatively easier to change the filling fraction simply by adjusting the current intensity than physically changing the structure or applying strong electric or magnetic fields. In conclusion, the method proposed in this thesis allows us, in principle, to get materials and structures with dynamically adjustable acoustic properties using the temperature control through electric current in the wires, within certain limits. Thus, it is easy to carry out experiments of wave propagation phenomena in a macroscopic scale similar to those that occur in microscopic structures for the propagation of electromagnetic waves of high frequency (microwaves and light).

[ES] El objetivo de este trabajo es demostrar teoréticamente y experimentalmente como la propagación de ondas acústicas puede ser controlada por gradientes de temperatura. Empezando con el caso más simple de dos hilos calientes en aire, el estudio se extiende sobre estructuras periódicas conocidas como cristales sónicos (CS). Se ha utilizado el Método de Elementos Finitos (FEM) para realizar simulaciones numéricas con el objetivo de demonstrar la colimación y focalización de ondas acústicas en CS bidimensionales (2D) cuya fracción de llenado es ajustable mediante gradientes de temperatura. Como parte de la investigación se ha analizado la reflexión de Bragg y el efecto de tipo Fabry-Perot asociados con los CSs estudiados. Entre los ejemplos tratados figuran un CS con una transmitancia ajustable a voluntad, dentro de ciertos límites. También se han estudiado lentes acústicas bidimensionales de gradiente de índice, basadas en gradiente de temperatura. Utilizando cortinas paralelas de hilos calientes cuya temperatura varía según una ley dada se puede diseñar una lente GRIN con propiedades determinadas. Por otra parte, cambiando la temperatura de los hilos se puede lograr un cambio en la fracción de llenado dentro del GRIN CS. Así, el índice de refracción local, que está directamente relacionado con la fracción de llenado, se cambia también y se obtiene una variación de gradiente de índice dentro del GRIN CS. Este GRIN CS es una analogía directa de medios con gradiente, observados en la naturaleza. Otro aspecto de este trabajo trata sobre el ajuste de algunas propiedades de un SC como el índice de refracción efectivo o la densidad efectiva con el objetivo de obtener unas propiedades deseadas del cristal. Como el ajuste activo de los bandgaps fonónicos es ciertamente deseado para futuras aplicaciones con funcionalidades mejoradas, hasta ahora se han hecho varios intentos de desarrollar CSs de características ajustables. Controlando el ángulo de incidencia o la frecuencia de funcionamiento, un GRIN CS puede ajustar dinámicamente la curvatura de la trayectoria de propagación dentro de la estructura CS. Entre los últimos estudios de CSs las fracciones de llenado se ajustaron mediante una deformación física directa de la estructura o mediante estímulos externos (por ejemplo campos eléctricos o magnéticos). El primero es poco práctico para una gran parte de las aplicaciones y el segundo a menudo requiere estímulos muy fuertes para ajustes modestos. En este trabajo se propone otra forma de ajustar las propiedades de un CS. Las propiedades acústicas del medio de propagación (densidad, índice de refracción) dependen de la temperatura, por tanto, introduciendo gradientes de temperatura dentro de dicho medio pueden ajustarse a voluntad las propiedades del CS dentro de ciertos límites. La manera de obtener gradientes de temperatura dentro del CS, propuesta en este estudio, es mediante hilos de nicrom calentados con corrientes eléctricas. Hay algunas ventajas importantes de este método. En primer lugar, cambiando la intensidad de corriente eléctrica que circula por los hilos se puede conseguir cambiar dinámicamente las propiedades del CS. En segundo lugar, es relativamente más fácil de cambiar la fracción de llenado simplemente ajustando la intensidad de la corriente eléctrica que modificar físicamente la estructura o aplicar fuertes campos eléctricos o magnéticos. En conclusión, el método propuesto en esta tesis permite, en principio, conseguir materiales y estructuras con propiedades acústicas ajustables dinámicamente mediante el control de la temperatura a través de la corriente eléctrica en los hilos, dentro de ciertos límites. De esta forma se puede experimentar fácilmente a escala macroscópica fenómenos de propagación de ondas análogos a los que ocurren en estructuras microscópicas para la propagación de ondas electromagnéticas de alta frecuencia (microondas y l

[CA] L'objectiu d'este treball és demostrar teorèticament i experimentalment com la propagació d'ones acústiques pot ser controlada per gradients de temperatura. Començant amb el cas més simple de dos fils calents en aire, l'estudi s'estén sobre estructures periòdiques conegudes com a cristalls sónics (CS) . S'ha utilitzat el Mètode d'Elements Finits (FEM) per a realitzar simulacions numèriques amb l'objectiu de demonstrar la col¿limació i focalització d'ones acústiques en CS bidimensionals (2D) la fracció de omplit de la qual és ajustable per mitjà de gradients de temperatura. Com a part de la investigació s'ha analitzat la reflexió de Bragg i l'efecte de tipus Fabry-Perot associats amb els CSs estudiats. Entre els exemples tractats figuren un CS amb una transmitancia ajustable a voluntat, dins de certs límits. També s'han estudiat lents acústiques bidimensionals de gradient d'índex, basades en gradient de temperatura. Utilitzant cortines paral¿leles de fils calents la temperatura de la qual varia segons una llei donada es pot dissenyar una lent GRIN amb propietats determinades. D'altra banda, canviant la temperatura dels fils es pot aconseguir un canvi en la fracció d'ompliment dins del GRIN CS. Així, l'índex de refracció local, que està directament relacionat amb la fracció d'ompliment, es canvia també i s'obté una variació de gradient d'índex dins del GRIN CS. Este GRIN CS és una analogia directa de mitjans amb gradient, observats en la naturalesa. Com les seues analogies òptiques, les lents, estudiades en este treball, tenen les superfícies planes i són més fàcils de fabricar que les lents corbades. La deflexión de les ones acústiques obtinguda per mitjà d'una lent de gradient GRIN es pot utilitzar per a focalitzar o colimar feixos de so. Un altre aspecte d'este treball tracta sobre l'ajust d'algunes propietats d'un SC com l'índex de refracció efectiu o la densitat efectiva amb l'objectiu d'obtindre unes propietats desitjades del cristall. Com l'ajust actiu dels bandgaps fonónicos és certament desitjat per a futures aplicacions amb funcionalitats millorades, fins ara s'han fet diversos intents de desenrotllar CSs de característiques ajustables. Controlant l'angle d'incidència o la freqüència de funcionament, un GRIN CS pot ajustar dinàmicament la curvatura de la trajectòria de propagació dins de l'estructura CS. Entre els últims estudis de CSs les fraccions d'ompliment es van ajustar per mitjà d'una deformació física directa de l'estructura o per mitjà d'estímuls externs. El primer és poc pràctic per a una gran part de les aplicacions i el segon sovint requerix estímuls molt forts per a ajustos modestos. En este treball es proposa una altra forma d'ajustar les propietats d'un CS. Les propietats acústiques del mig de propagació (densitat, índex de refracció) depenen de la temperatura, per tant, introduint gradients de temperatura dins del dit mitjà poden ajustar-se a voluntat les propietats del CS dins de certs límits. La manera d'obtindre gradients de temperatura dins del CS, proposta en este estudi, és per mitjà de fils de Nicrom calfats amb corrents elèctrics. Hi ha alguns avantatges importants d'este mètode. En primer lloc, canviant la intensitat de corrent elèctric que circula pels fils es pot aconseguir canviar dinàmicament les propietats del CS. En segon lloc, és relativament més fàcil de canviar la fracció d'ompliment simplement ajustant la intensitat del corrent elèctric que modificar físicament l'estructura o aplicar forts camps elèctrics o magnètics. En conclusió, el mètode proposat en esta tesi permet, en principi, aconseguir materials i estructures amb propietats acústiques ajustables dinàmicament per mitjà del control de la temperatura a través del corrent elèctric en els fils, dins de certs límits. D'esta manera es pot experimentar fàcilment a escala macroscòpica fenòmens de propagació d'ones anàlegs a què ocorren e