Χαρακτηρισμός ακουστικών μεταϋλικών με χρήση πηγών ήχου πλάσματος λέιζερ

Κάντε κλικ εδώ για να κατεβάσετε αυτό το έγγραφο

Κωνσταντίνος Καλέρης, Εμμανουήλ Κανιολάκης Καλούδης, Νικόλαος Αραβαντινός – Ζαφείρης, Διονύσιος Τ. Γ. Κατερέλος, Βασίλειος Δημητρίου, Μάκης Μπακαρέζος, Μιχαήλ Ταταράκης, Ιωάννης Μουρτζόπουλος, Μιχάλης Σιγάλας, Νεκτάριος Παπαδογιάννης

Σε αυτή την εργασία παρουσιάζεται μια νέα μέθοδος για τον ακριβή χαρακτηρισμό της ακουστικής απόκρισης Φωνονικών Κρυστάλλων (ΦΚ) και Ακουστικών Μεταϋλικών (ΑΜ), η οποία αξιοποιεί τους ευρυζωνικούς ακουστικούς παλμούς που παράγονται από σημειακές και άυλες ηχητικές πηγές λέιζερ πλάσματος (ΠΗΠΛ, Αγγλικά: laser plasma sound sources–LPSS). Οι φωνονικοί κρύσταλλοι και τα ακουστικά μεταϋλικά αποτελούν τεχνητές περιοδικές δομές με εξαιρετικές ιδιότητες όσον αφορά την αλληλεπίδρασή και τον έλεγχο ακουστικών κυμάτων. Συγκεκριμένα, στους φωνονικούς κρυστάλλους αξιοποιείται η σκέδαση Bragg για τη διαμόρφωση συχνοτικών ζωνών αποκοπής του ήχου σε μήκη κύματος συγκρίσιμα με την περιοδικότητα της δομής, οι οποίες ονομάζονται φωνονικά συχνοτικά χάσματα (phononic band gaps) [1]. Αντιθέτως, στα ακουστικά μεταϋλικά αξιοποιούνται δομές με διαστάσεις πολύ μικρότερες του μήκους κύματος οι οποίες, διεγειρόμενες από το ακουστικό κύμα, δημιουργούν τοπικούς συντονισμούς των οποίων η συνολική μακροσκοπική απόκριση οδηγεί στην αποκοπή στενών συχνοτικών ζωνών [1,2]. Οι ΦΚ και τα ΑΜ αποτελούν μια ανερχόμενη τεχνολογία ευρείας εφαρμογής που αναμένεται να επιφέρει σημαντικές αλλαγές και ταχεία πρόοδο σε μεγάλο εύρος επιστημονικών και βιομηχανικών πεδίων, όπως για παράδειγμα οι ηχομονώσεις , η ακουστική χώρων [3], η μικρό- και νανο-ακουστική [4], η τεχνολογία μουσικών οργάνων [5] και άλλα. Ενώ ο σχεδιασμός και η ανάπτυξη των ΦΚ και ΑΜ βασίζεται σε καλά εδραιωμένα μαθηματικά και υπολογιστικά εργαλεία, οι μέθοδοι για την πειραματική αξιολόγηση της ακουστικής τους απόκρισης υστερούν σε ακρίβεια και εύρος δυνατοτήτων. Η αξιολόγηση του φάσματος ακουστικής διάδοσης (transmission) ενός μοναδιαίου κελιού ή δομών λίγων κελιών πραγματοποιείται συνήθως με τη χρήση σωλήνων εμπέδησης (impedance tubes-ITs) [6]. Οι σωλήνες εμπέδησης εξασφαλίζουν ελεγχόμενες συνθήκες μέτρησης και περιβάλλον χαμηλού θορύβου, επιβάλλουν όμως περιορισμούς στη γεωμετρία της δομής, καθώς το δείγμα πρέπει να είναι κυλινδρικό ή κυβικό με συγκεκριμένες διαστάσεις, ανάλογα με τον σωλήνα. Επίσης, η αξιολόγηση των δειγμάτων σε διαφορετικούς άξονες διάδοσης του ήχου απαιτεί διαφορετικό δείγμα για κάθε άξονα [6]. Τέλος, η ακουστική διέγερση στους σωλήνες εμπέδησης γίνεται αποκλειστικά έξω από τη δομή, ενώ το συχνοτικό εύρος λειτουργίας τους είναι συχνά περιορισμένο. Τα συμβατικά μεγάφωνα έχουν καλή απόδοση για την αξιολόγηση μεγάλων διατάξεων AM, αλλά είναι ακατάλληλα για την αξιολόγηση μικρότερων δομών, π.χ. μοναδιαία κελιά, λόγω της έντονης περίθλασης που προκαλείται από το μεγάλο μέγεθος της πηγής σε σχέση με το δείγμα. Επιπλέον, η μέθοδος απαιτεί εξειδικευμένη και δαπανηρή υποδομή καθώς συνήθως πραγματοποιείται σε ανηχοϊκό θάλαμο ή σε διασυνδεδεμένους χώρους. Η διέγερση εντός του δείγματος είναι συνήθως ανέφικτη, με εξαίρεση τις υψηλές ακουστές συχνότητες και τους υπερήχους, όπου μπορούν να χρησιμοποιηθούν πιεζοηλεκτρικοί μετατροπείς πολύ μικρών διαστάσεων. Ωστόσο, αυτό συνεπάγεται παρεμβάσεις στη δομή του δείγματος με αναπόφευκτες επιπτώσεις στην ακουστική του συμπεριφορά [7]. Τέλος, η συχνοτικά εξαρτώμενη κατευθυντικότητα των συμβατικών ηλεκτρομηχανικών και πιεζοηλεκτρικών μετατροπέων δημιουργεί δυσκολίες στην αξιολόγηση σε διαφορετικές κατευθύνσεις διάδοσης. Η προτεινόμενη χρήση των πηγών ήχου πλάσματος λέιζερ παρέχει σημαντικά πλεονεκτήματα σε σχέση με τις παραδοσιακές μεθόδους, χάρη στα σχεδόν ιδανικά ακουστικά χαρακτηριστικά των ΠΗΠΛ. Οι ΠΗΠΛ είναι πρακτικά άυλες καθώς σχηματίζονται απευθείας στον αέρα από την θερμοελαστική εκτόνωση του λόγω της απορρόφησης ακτινοβολίας λέιζερ. Έχουν μικροσκοπικές διαστάσεις (~1 mm) ενώ η γεωμετρία τους μπορεί να είναι σφαιρική ή κυλινδρική, με παντοκατευθυντική ή έντονα κατευθυντική ακουστική εκπομπή, αντίστοιχα. Επιπλέον, έχουν πολύ μικρή χρονική διάρκεια (μs) και ευρύ συχνοτικό φάσμα που εκτείνεται από τις πολύ χαμηλές συχνότητες έως και τους υπέρηχους [8,9]. Λόγω των χαρακτηριστικών τους αυτών, οι ΠΗΠΛ επιτρέπουν την αποτίμηση της ακουστικής απόκρισης μετα-δομών οποιασδήποτε γεωμετρίας σε ευρύ συχνοτικό φάσμα και σε πολλαπλούς άξονες διάδοσης του ήχου, ενώ παράλληλα επιτρέπουν την ακουστική διέγερση εσωτερικά του δείγματος χωρίς να απαιτούνται παρεμβάσεις στη δομή του [10]. Εδώ παρουσιάζονται πειραματικά αποτελέσματα από ακουστικές αξιολογήσεις φωνονικών κρυστάλλων με ζώνες αποκοπής στο ακουστό φάσμα, οι οποίες επιβεβαιώνουν με υψηλή ακρίβεια τις προβλέψεις ειδικά ανεπτυγμένων αριθμητικών μοντέλων. Η προτεινόμενη μέθοδος αναμένεται να ενισχύσει την έρευνα και την εμπορική αξιοποίηση των ακουστικών μεταϋλικών.   Βιβλιογραφία [1] Oudich, M., Gerard, N. J., Deng, Y., and Jing, Y., Adv. Funct. Mater. 33, 2206309 (2023) [2] Sigalas, M., Papacinstantopoulos, A. D., and Bacalis, C. N., Phys. Rev. B Condens. Matter. 45, 5779 (1992) [3] Yang, M. and Ping, S., Appl. Phys. Lett. 122, 260504 (2023) [4] Li, Y. et al., Sci. Rep. 4, 6830 (2014) [5] Brezas, S. et al., Applied Sciences, 14(6):2293 (2024) [6] Aravantinos-Zafiris, N. Sigalas M., and Katerelos G. T. D., J. Appl. Phys. 133, 065101 (2023) [7] Bilal, O. R., Ballagi, D. and Daraio, C., Phys. Rev. Appl. 10, 054060 (2018) [8] Kaleris, K. et al., JSV. 570, 118000 (2023) [9] Kaleris, K., et al., J. Acoust. Soc. Am. 146, 212–218 (2019) [10] Kaleris, K. et. al., Nat. Commun. Mater., in print (2024)