Novel metamaterial stuctures for non-conventional propagation of acoustic waves

Abstract

Metamaterials are artificial media composed of subwavelength unit cells, specifically engineered to exhibit unusual properties in relation to wave propagation, generally not found in nature. Most research in this area has been dedicated to electromagnetic metamaterials, In this thesis we present results in a new multidisciplinary field of metamaterials in acoustics and realization of non-conventional wave propagation applying novel metamaterial unit cells. The scientific contribution of this dissertation comprises three new types of wave propagation modes and their control with newly designed metamaterial unit cells. In the thesis, a novel class of compressibility-near-zero (CNZ) acoustic propagation, achieved by using Helmholtz resonators, is theoretically analyzed and experimentally demonstrated. A closed analytical formula for the effective compressibility of the proposed unit cell is presented, and the existence of two frequencies which may support CNZ propagation is shown. Furthermore, a new unit cell with effective mass density with Lorentzian type behavior is proposed, a closed analytical formula for its effective mass density is found, and the evanescent, left-handed propagation and density-near-zero acoustic wave propagation are demonstrated. In the end it is demonstrated for the first time that a surface acoustic wave propagating at the boundary between a fluid and a hard grooved surface can be efficiently controlled by varying only the temperature of the fluid, while the geometry of the grooved surface remains unchanged. This opens up a way for a number of new applications, all easily tunable by external means. Following theoretical considerations, we demonstrate temperature-controlled sound trapping and its applications in acoustic spectral analysis and temperature sensing. We also present a temperature-controlled gradient refractive index (GRIN) acoustic medium and apply it to achieve temperature-controlled acoustic focusing.

Метаматеријали су вештачки медијуми састављени од јединичних ћелија мањих од таласне дужине, пројектовани на посебан начин да при пропагацији таласа испољавају необичне особине које се иначе не срећу у природи. Већина истраживања у овој области фокусира се на електромагнетске метаматеријале. У овој дисертацији презентовани су резултати у новом мултидисциплинарном пољу метаматеријала у акустици и реализација нове неконвенционалне пропагације таласа применом јединичних ћелија метаматеријала. Научни допринос ове дисертације су три нова типа модова пропагације таласа и њихова контрола новим пројектованим јединичним ћелијама метаматеријала. У дисертацији је теоријски анализирана и експериментално показана нова класа CNZ (енг. compressibility-near-zero) акустичке пропагације постигнуте Хелмхолцовим резонатором. Дата је затворена аналитичка формула за ефективну стишљивост јединичне ћелије, а затим је показано да постоје две фреквенције које подржавају CNZ пропагацију. Такође, предложена је нова јединична ћелија са ефективном густином Лоренцовог типа, изведена је затворена аналитичка формула за њену ефективну густину и показане су „левoрука“, еванесцентна и DNZ (енг. density-near-zero) пропагација акустичких таласа. На крају, по први пут је показано да се површински акустични талас који се простире на граници између флуида и чврсте избраздане површи може ефикасно контро-лисати само променом температуре, док геометрија избраздане површи остаје непромењена. Ово отвара могућности за бројне нове примене где је потребна лакоћа екстерног подешавања. Пратећи изложену теорију, демонстрирано је заробљавање звука контролисано температуром, као и његова примена у акустичкој спектралној анализи и мерењу темпе-ратуре. Такође, презентован је акустички медијум са температуром кон-тролисаним градијентом индекса преламања, као и његова примену у температурно контролисаном акустичком фокусирању.

Metamaterijali su veštački medijumi sastavljeni od jediničnih ćelija manjih od talasne dužine, projektovani na poseban način da pri propagaciji talasa ispoljavaju neobične osobine koje se inače ne sreću u prirodi. Većina istraživanja u ovoj oblasti fokusira se na elektromagnetske metamaterijale. U ovoj disertaciji prezentovani su rezultati u novom multidisciplinarnom polju metamaterijala u akustici i realizacija nove nekonvencionalne propagacije talasa primenom jediničnih ćelija metamaterijala. Naučni doprinos ove disertacije su tri nova tipa modova propagacije talasa i njihova kontrola novim projektovanim jediničnim ćelijama metamaterijala. U disertaciji je teorijski analizirana i eksperimentalno pokazana nova klasa CNZ (eng. compressibility-near-zero) akustičke propagacije postignute Helmholcovim rezonatorom. Data je zatvorena analitička formula za efektivnu stišljivost jedinične ćelije, a zatim je pokazano da postoje dve frekvencije koje podržavaju CNZ propagaciju. Takođe, predložena je nova jedinična ćelija sa efektivnom gustinom Lorencovog tipa, izvedena je zatvorena analitička formula za njenu efektivnu gustinu i pokazane su „levoruka“, evanescentna i DNZ (eng. density-near-zero) propagacija akustičkih talasa. Na kraju, po prvi put je pokazano da se površinski akustični talas koji se prostire na granici između fluida i čvrste izbrazdane površi može efikasno kontro-lisati samo promenom temperature, dok geometrija izbrazdane površi ostaje nepromenjena. Ovo otvara mogućnosti za brojne nove primene gde je potrebna lakoća eksternog podešavanja. Prateći izloženu teoriju, demonstrirano je zarobljavanje zvuka kontrolisano temperaturom, kao i njegova primena u akustičkoj spektralnoj analizi i merenju tempe-rature. Takođe, prezentovan je akustički medijum sa temperaturom kon-trolisanim gradijentom indeksa prelamanja, kao i njegova primenu u temperaturno kontrolisanom akustičkom fokusiranju.