Materiais Avançados

Como rebater uma onda sonora exatamente para onde você quer

Como rebater uma onda sonora exatamente para onde você quer
Não é o material em si que faz o trabalho - é o formato das estruturas construídas com ele. [Imagem: Junfei Li]

Da invisibilidade à reflexão perfeita

Metamateriais podem ser usados para tornar as coisas invisíveis e transparentes - inclusive uma invisibilidade acústica recentemente demonstrada.

Mas esses materiais artificiais podem também fazer o trabalho contrário, controlando a reflexão e o redirecionamento das ondas sonoras com uma eficiência quase perfeita.

Embora muitas abordagens teóricas tenham sido propostas para esse uso, controlar simultaneamente tanto a transmissão quanto a reflexão do som exatamente da maneira desejada era um desafio que ninguém havia vencido até agora.

O feito coube a Junfei Li, da Universidade Duke, nos EUA, que usou uma impressora 3D para fabricar os dispositivos que alcançam um controle completo e quase perfeito das ondas sonoras.

Apenas para lembrar, a classe dos metamateriais envolve materiais artificiais que manipulam ondas como luz e o som usando sua estrutura, e não sua química - por exemplo, embora esse metamaterial específico seja feito de plástico impresso em 3-D, não são as propriedades do plástico que são importantes, são as formas em sua estrutura que permitem manipular as ondas sonoras.

Controlando transmissão e reflexão

O metamaterial é feito de uma série de fileiras de quatro colunas ocas. Cada coluna tem pouco mais de um centímetro de largura, com uma abertura estreita no meio de um dos lados. Embora o protótipo construído pela equipe tenha 1,6 centímetro de altura e quase 3,5 metros de comprimento, a altura e largura são irrelevantes - ele pode, teoricamente, estender-se para sempre em qualquer direção.

O modo como o som é manipulado é controlado por meio da largura dos canais entre cada linha de colunas e pelo tamanho da cavidade dentro de cada coluna individual - algumas colunas são ocas, enquanto outras são quase totalmente preenchidas.

Para entender o princípio, pense em alguém soprando ar no bico de uma garrafa - o tom que a garrafa emite depende da quantidade de líquido que há dentro dela. Da mesma forma, cada coluna ressoa em uma frequência diferente, dependendo de quanto dela é preenchida com plástico.

Conforme uma onda sonora viaja através do dispositivo, cada cavidade ressoa na frequência planejada. Essa vibração não apenas afeta a velocidade da onda sonora, como também interage com as cavidades vizinhas para interferir tanto com a transmissão quanto com a reflexão.

"Dispositivos anteriores podiam modelar e redirecionar as ondas sonoras alterando a velocidade das diferentes seções da frente de onda, mas sempre havia dispersão indesejada. Você tem que controlar tanto a fase quanto a amplitude tanto da transmissão quanto da reflexão da onda para se aproximar de uma eficiência perfeita," detalhou Li.

Como rebater uma onda sonora exatamente para onde você quer
O metamaterial vira as ondas sonoras com precisão. [Imagem: Junfei Li et al. - 10.1038/s41467-018-03778-9]

Eficiência

O protótipo redireciona uma onda acústica que incide perpendicularmente no metamaterial para um ângulo de saída de 60 graus com uma eficiência de 96%.

Embora a configuração usada tenha sido projetada para controlar uma onda de som a 3.000 Hertz - um belo zumbido nos ouvidos - os metamateriais podem ser escalonados para afetar quase qualquer comprimento de onda de som.

Bibliografia:

Systematic design and experimental demonstration of bianisotropic metasurfaces for scattering-free manipulation of acoustic wavefronts
Junfei Li, Chen Shen, Ana Diaz-Rubio, Sergei A. Tretyakov, Steven A. Cummer
Nature Communications
Vol.: 9, Article number: 1342
DOI: 10.1038/s41467-018-03778-9




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