پیش‌نویس:فراماده ی صوتی

فراماده آکوستیک ، کریستال صوتی یا کریستال فنونیک ، ماده ای است که برای کنترل، هدایت و دستکاری امواج صوتی یا فونون ها در گازها ، مایعات و جامدات ( شبکه های بلوری ) طراحی شده است. کنترل امواج صوتی از طریق دستکاری پارامترهایی مانند مدول حجمی β ، چگالی ρ و کایرالیته (چرخش پذیری) انجام می شود. آن‌ها می‌توانند به گونه‌ای طراحی شوند که امواج صوتی را در فرکانس‌های خاصی یا انتقال دهند، یا به دام انداخته و تقویت کنند. در حالت دوم، ماده یک رزوناتور صوتی (تشدیگر آکوستیک) است.

فرامواد آکوستیک برای مدل‌سازی و پژوهش در مورد پدیده‌های صوتی در مقیاس بسیار بزرگ مانند امواج لرزه‌ای و زمین لرزه و همچنین پدیده‌های بسیار کوچک مانند اتم‌ها استفاده می‌شود. در حالت دوم به دلیل مهندسی باندگپ ممکن است: فرامواد صوتی می‌توانند به گونه‌ای طراحی شوند که باندگپ‌هایی برای فونون‌ها نشان دهند، مشابه باندگپ‌ های موجود برای الکترون ها در جامدات یا اوربیتال های الکترونی در اتم ها. این امر همچنین باعث شده است که کریستال فونونیک به یکی از اجزای مورد تحقیق گسترده در فناوری‌های کوانتومی و آزمایش‌هایی که مکانیک کوانتومی را بررسی می‌کنند تبدیل کند. شاخه‌های مهم فیزیک و فناوری که به شدت به فرامواد صوتی وابسته هستند، شامل پژوهش در مواد با ضریب شکست منفی و اپتومکانیک (کوانتومی) میشوند.

ااثر هنری "Órgano" ساخته مجسمه‌ساز اوسبیو سمپره یک نمونه بزرگ‌مقیاس از یک کریستال فونونیک است. این اثر از آرایه‌ای دوره‌ای از استوانه‌ها در هوا (به‌عنوان "فراماده" یا "ساختار کریستالی") تشکیل شده است و ابعاد و الگوی آن به‌گونه‌ای طراحی شده که امواج صوتی با فرکانس 1670 هرتز را به شدت تضعیف می‌کند. این اثر اولین شواهد وجود باندگپ‌های فونونیک در ساختارهای دوره‌ای را ارائه داد.

تاریخچه

الگو:بیشتر فرامواد صوتی از تحقیقات و دستاوردهای مرتبط با فرامواد ایجاد شده‌اند. یتوسعه یافته‌اند. ایده یک ماده نوین در ابتدا توسط ویکتور وسلاگو در سال 1967 مطرح شد، اما تا حدود 33 سال بعد به واقعیت نپیوست. در اواخر دهه 1990، جان پندری عناصر اساسی فرامواد را تولید کرد. این مواد ترکیب شدند و مواد با ضریب شکست منفی برای اولین بار در سال 2000 به تحقق پیوستند و پاسخ‌های نوری و مادی ممکن را گسترش دادند. تحقیقات در زمینه فرامواد صوتی نیز با هدف مشابه، یعنی گسترش پاسخ‌های مواد با استفاده از امواج صوتی، پیش می‌رود.

تحقیقات با استفاده از فرامواد صوتی در سال 2000 با ساخت و نمایش کریستال‌های صوتی در یک مایع آغاز شد. سپس، رفتار رزوناتور حلقه شکافته به حوزه تحقیقات فرامواد صوتی انتقال داده شد. پپس از آن، پارامترهای دوگانه منفی (مانند مدول حجمی مؤثرβ_eff چگالی مؤثرρ_eff ) توسط این نوع محیط تولید شدند. در ادامه، گروهی از محققان طراحی و نتایج آزمایش یک عدسی فراماده اولتراسونیک برای متمرکز کردن امواج صوتی با فرکانس 60 کیلوهرتز را ارائه کردند.

مهندسی آکوستیک معمولاً با کنترل نویز ، سونوگرافی پزشکی ، سونار ، بازتولید صدا و اندازه‌گیری برخی خواص فیزیکی دیگر با استفاده از صوت سروکار دارد. با استفاده از فرامواد صوتی، می‌توان جهت حرکت صوت در یک محیط را از طریق دستکاری ضریب شکست صوتی کنترل کرد. به این ترتیب، قابلیت‌های فناوری‌های صوتی سنتی گسترش می‌یابد، به‌عنوان مثال، در نهایت امکان مخفی کردن برخی اشیاء از شناسایی صوتی فراهم می‌شود.

اولین کاربرد صنعتی موفق فراماده صوتی در زمینه عایق‌کاری هواپیما بود که به‌منظور کاهش نویز و ارتعاشات در داخل هواپیما و بهبود راحتی مسافران آزمایش شد. این فرامواد با استفاده از ویژگی‌های خاص خود در مهار امواج صوتی، قادر به کاهش سر و صدا در فرکانس‌های خاص بودند.

اصول اولیه

خواص فرامواد صوتی معمولاً از ساختار آن‌ها ناشی می‌شود نه از ترکیب‌شان. این خواص با استفاده از تکنیک‌هایی مانند ساخت کنترل‌شده ناهماهنگی‌های کوچک ایجاد می‌شوند تا رفتار مؤثر ماکروسکوپی را به نمایش بگذارند..

مدول حجمی و چگالی جرمی

مدول حجمی β معیاری از مقاومت یک ماده در برابر فشرده‌سازی یکنواخت است. این مقدار به‌عنوان نسبت افزایش فشار که برای ایجاد یک کاهش نسبی مشخص در حجم لازم است، تعریف می‌شود.

چگالی جرمی (یا به‌طور خلاصه "چگالی") یک ماده به عنوان جرم در واحد حجم تعریف می‌شود و معمولاً بر حسب گرم بر سانتی‌متر مکعب (g/cm³) بیان می‌شود. در هر سه حالت کلاسیک ماده—گاز، مایع یا جامد—چگالی با تغییر دما یا فشار تغییر می‌کند، به‌طوری که گازها بیشترین حساسیت را به این تغییرات دارند. دامنه چگالی‌ها بسیار گسترده است: از 15^10 g/cm³ برای ستاره های نوترونی ، 1.00 گرم بر سانتی متر ^مکعب برای آب، تا 1.2× ^10-3 گرم بر سانتی متر ^مکعب برای هوا.

پپارامترهای مرتبط دیگر شامل موارد زیر هستند:

چگالی سطحی که جرم در واحد مساحت (دو بعدی)

چگالی خطی - جرم در واحد طول (یک بعدی)

چگالی نسبی که چگالی یک ماده را نسبت به چگالی یک ماده مرجع، مانند آب، نشان می‌دهد.

برای مواد آکوستیک و فرامواد آکوستیک، هم مدول حجمی و هم چگالی به‌عنوان پارامترهای مؤلفه‌ای عمل می‌کنند که ضریب شکست آن‌ها را تعیین می‌کنند. ضریب شکست آکوستیک مشابه مفهوم مورد استفاده در اپتیک است، اما به جای امواج الکترومغناطیسی ، به امواج فشار یا برشی مربوط می شود.

مدل نظری

مقایسه ساختارهای کریستال فونونیک یک‌بعدی (1D)، دو‌بعدی (2D) و سه‌بعدی (3D) که در آن فراماده تغییرات دوره‌ای سرعت صدا را در ابعاد 1، 2 و 3 (به‌ترتیب از چپ به راست) نشان می‌دهد.

فرامواد صوتی یا کریستال‌های فونونیک را می‌توان به‌عنوان معادل آکوستیکی کریستال‌های فوتونی در نظر گرفت: به‌جای امواج الکترومغناطیسی (فوتون‌ها) که از طریق ماده‌ای با ضریب شکست نوری به‌طور دوره‌ای تغییر یافته حرکت می‌کنند (که منجر به تغییر سرعت نور می‌شود)، کریستال فونونیک شامل امواج فشار (فونون‌ها) است که از طریق ماده‌ای با ضریب شکست صوتی به‌طور دوره‌ای تغییر یافته حرکت می‌کنند و منجر به تغییر سرعت صوت می شود.

افزون بر مفاهیم موازی ضریب شکست و ساختار بلوری، امواج الکترومغناطیسی و صوتی هر دو به طور ریاضی با معادله موج توصیف می‌شوند.

امواج الکترومغناطیسی و امواج صوتی از نظر ریاضی مشابهت‌هایی دارند، چرا که هر دو با معادله موج توصیف می‌شوند. این معادله نحوه‌ی انتشار این امواج را در فضا و زمان مشخص می‌کند. در حالی که امواج الکترومغناطیسی به‌طور معمول از میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی تشکیل می‌شوند، امواج صوتی به حرکت ذرات در یک محیط (معمولاً هوا یا مایع) وابسته هستند.

ساده‌ترین تحقق یک فراماده صوتی می‌تواند شامل حرکت یک موج فشار از طریق یک صفحه با ضریب شکست به‌طور دوره‌ای تغییر یافته در یک بعد باشد. در این حالت، رفتار موج از طریق صفحه یا "لایه" می‌تواند با استفاده از ماتریس های انتقال پیش‌بینی و تحلیل شود. این روش در اپتیک رایج است، جایی که برای توصیف امواج نور که از طریق یک بازتابنده براگ توزیع شده حرکت می‌کنند، استفاده می‌شود.  الگو:Div col

• Acoustic dispersion
• Metamaterial cloaking
• Metamaterial
• Metamaterial absorber
• Metamaterial antennas
• Negative index metamaterials
• Photonic metamaterials
• Photonic crystal
• Seismic metamaterials
• Split-ring resonator
• Superlens
• Tunable metamaterials
• Transformation optics

فرامواد آکوستیک با ضریب شکست منفی

در برخی باندهای فرکانسی خاص، چگالی جرم مؤثر و مدول حجمی ممکن است منفی شوند. این امر منجر به ضریب شکست منفی می‌شود. تمرکز از طریق صفحات صاف، که می‌تواند به وضوح فوق العاده منجر شود، مشابه فرامواد الکترومغناطیسی است. پارامترهای دوگانه منفی نتیجه رزونانس های فرکانس پایین هستند. در ترکیب با یک قطبش به‌خوبی تعریف‌شده در حین انتشار امواج؛ معادله k = | n | ω برای ضریب شکست است که نشان می‌دهد چگونه امواج صوتی با فرامواد آکوستیک تعامل می‌کنند (در زیر):

$n^2=\frac{\rho }{\beta }$

پارامترهای ذاتی محیط شامل چگالی جرم ρ، مدول حجمی β و چیرالی k هستند. چیرالی، یا دست‌چپ‌بودن، قطبیت انتشار موج ( بردار موج )را تعیین می‌کند. بنابراین، در معادله آخر، راه‌حل‌های نوع وسلاگو (

n2=u∗ϵ) برای انتشار موج ممکن است، زیرا وضعیت منفی یا مثبت ρ و β جهت انتشار موج به جلو یا عقب را تعیین می‌کنند.

در فرامواد الکترومغناطیسی، قابلیت گذردهی منفی می‌تواند در مواد طبیعی یافت شود. با این حال، نفوذپذیری منفی باید به‌طور عمدی در محیط انتقال مصنوعی امحیط انتقال مصنوعی ایجاد شود. برای مواد آکوستیک، نه چگالی جرم منفی ρ و نه مدول حجمی منفی β در مواد طبیعی یافت می‌شود. آنها از فرکانس های تشدید یک محیط انتقال مصنوعی ساخته‌شده استخراج می‌شوند و چنین مقادیر منفی یک پاسخ غیرعادی هستند. چگالی جرم یا مدول حجمی منفی به این معنی است که در فرکانس‌های خاص، محیط زمانی که تحت فشرده‌سازی قرار می‌گیرد، منبسط می‌شود (مدول منفی) و زمانی که به سمت راست فشرده می‌شود، به سمت چپ تسریع می‌کند (چگالی منفی)

میدان الکترومغناطیسی در مقابل میدان صوتی

طیف الکترومغناطیسی از فرکانس‌های پایین که برای رادیوهای مدرن استفاده می‌شود تا تابش گاما در انتهای طول موج کوتاه گسترش می‌یابد، که شامل طول موج‌هایی از هزاران کیلومتر تا بخشی از اندازه یک اتم است. در مقایسه، فرکانس‌های اینفرسونیک از 20 هرتز تا 0.001 هرتز متغیر هستند، فرکانس‌های قابل شنوایی از 20 هرتز تا 20 کیلوهرتز و محدوده اولتراسونیک بالاتر از 20 کیلوهرتز قرار دارد.

در حالی که امواج الکترومغناطیسی می‌توانند در خلا سفر کنند، انتشار امواج صوتی به یک محیط نیاز دارد.

مکانیک امواج شبکه

در یک ساختار شبکه سفت و سخت، اتم‌ها بر یکدیگر نیروی وارد می‌کنند که تعادل را حفظ می کنند. بیشتر این نیروهای اتمی، مانند پیوندهای کووالانسی یا یونی، ماهیت الکتریکی دارند. نیروی مغناطیسی و نیروی گرانش ناچیز است. به دلیل پیوندهای بین اتم‌ها، جابجایی یک یا چند اتم از موقعیت تعادلی خود موجب ایجاد یک سری امواجارتعاشی می‌شود که از طریق شبکه گسترش می‌یابند. یکی از این امواج در شکل نشان داده شده است.. دامنه موج توسط جابجایی‌های اتم‌ها از موقعیت‌های تعادلی خود تعیین می‌شود. طول موج λ مشخص شده است.

یک طول موج حداقل ممکن وجود دارد که توسط فاصله تعادلی

a بین اتم‌ها تعیین می‌شود. هر طول موج کوتاه‌تر از این مقدار می‌تواند به یک طول موج بلندتر تبدیل شود، به دلیل اثراتی مشابه به الیاسینگ .  

• Metamaterials Handbook
• Metamaterials: Physics and Engineering Explorations

• Richard W. Ziolkowski
• Pierre Deymier
• John Pendry
• David R. Smith
• Nader Engheta
• Vladimir Shalaev

همچنین ببینید

الگو:پانویس کتاب ها

دانشمندان فرامواد

در ادامه مطلب

• الگو:Cite journal
• الگو:Cite journal
• الگو:Cite journal
• الگو:Cite journal
• Richard V. Craster, et al.: Acoustic metamaterials: negative refraction, imaging, lensing and cloaking. Springer, Dordrecht 2013, الگو:شابک.

لینک های خارجی

• کریستال های فونونیک
• مواد با ضریب شکست منفی
• پوشش آکوستیک