ES2237974A1 - Acoustic lens, has compound sound medium formed by homogeneous glass elements - Google Patents
Acoustic lens, has compound sound medium formed by homogeneous glass elementsInfo
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Abstract
Description
Lentes acústicas basadas en cristales de sonido bi y tridimensionales.Acoustic lenses based on sound crystals bi and three dimensional.
Física y acústica.Physics and acoustics.
Los cristales de ondas son estructuras formadas por la repetición ordenada de centros dispersores para dichas ondas. Estos cristales presentan la característica de modificar el comportamiento de los fenómenos de naturaleza ondulatoria que se transmiten en su interior. Pueden ser unidimensionales (1D), bidimensionales (2D) o tridimensionales (3D) dependiendo de que la periodicidad del sistema se desarrolle en una, dos o tres dimensiones. En la década de los ochenta se presentaron las primeras pruebas de la existencia de cristales de ondas para luz, llamados "cristales fotónicos" o "Photonic band gap (PBG) materials" (S.John -Phys.Rev.Lett.58,2486 (1987) y E. Yablonovitch -Phys.Rev.Lett. 58,2059 (1987)).Wave crystals are formed structures for the orderly repetition of dispersal centers for said waves. These crystals have the characteristic of modifying the behavior of phenomena of a wave nature that They transmit inside. They can be one-dimensional (1D), two-dimensional (2D) or three-dimensional (3D) depending on the System periodicity is developed in one, two or three dimensions. In the eighties the first evidence of the existence of wave crystals for light, called "photonic crystals" or "Photonic band gap (PBG) materials "(S.John -Phys.Rev.Lett. 58,2486 (1987) and E. Yablonovitch -Phys.Rev.Lett. 58,2059 (1987)).
Posteriormente se planteó la posibilidad de diseñar sistemas que tuvieran el mismo efecto con ondas escalares, como son las ondas de sonido. Estudios teóricos realizados por (E.N. Economou and M.M. Sigalas -Phys.Rev.B48,13434 (1993)), demostraron que sistemas formados por centros dispersores para las ondas escalares, dispuestos periódicamente, presentaban las mismas características que los "PEG materials" para la luz. Sin embargo, no fue hasta 1995 cuando se tuvieron evidencias experimentales de la existencia de estos sistemas para ondas acústicas en el rango del audible (R. Martínez-Sala et al -Nature 378,241 (1995)), denominándose a éstos "cristales de sonido". En estos cristales se produce una dispersión coherente de la onda acústica que se propaga por su interior, apareciendo bandas prohibidas de propagación (gaps en terminología inglesa) para ciertos intervalos de frecuencias. En el caso que nos interesa estos gaps aparecen en todo el espectro sonoro audible, dependiendo su posición en el rango de frecuencias de las características geométricas del cristal. Si el intervalo de frecuencias prohibidas lo es para cualquier orientación del cristal, se dice que existe un gap completo, sino es así se denomina gap a secas. Las ondas acústicas cuya frecuencia caiga dentro de uno de estos gaps no serán capaces de propagarse por el interior del cristal y serán reflejadas cuando incidan sobre él. Estos sistemas se caracterizan porque su periodicidad presenta una alternancia de materiales con distinta densidad y coeficientes de Lamé, factores que determinan la velocidad de propagación del sonido. Esta velocidad en el interior de estos cristales varía en función de la frecuencia, siendo en todo caso menor que la velocidad de propagación en el aire (W.M. Robertson and W.F.Rudy III, J.Acoust.Soc.Am.104, 694 (1998) y C. Rubio et al J.Lighwave Tech. 17(11), 2202 (1999)).Subsequently, the possibility of designing systems that had the same effect with scalar waves, such as sound waves, was raised. Theoretical studies conducted by (EN Economou and MM Sigalas -Phys.Rev.B48,13434 (1993)), showed that systems formed by scattering centers for scalar waves, arranged periodically, had the same characteristics as the "PEG materials" for light. However, it was not until 1995 when there was experimental evidence of the existence of these systems for acoustic waves in the audible range (R. Martínez-Sala et al- Nature 378,241 (1995)), these being called "sound crystals" . In these crystals there is a coherent dispersion of the acoustic wave that propagates through its interior, with propagation bands prohibited (gaps in English terminology) for certain frequency ranges. In the case we are interested in, these gaps appear throughout the audible sound spectrum, depending on their position in the frequency range of the geometric characteristics of the crystal. If the range of prohibited frequencies is for any orientation of the crystal, it is said that there is a full gap, otherwise it is called a dry gap. The sound waves whose frequency falls within one of these gaps will not be able to propagate inside the glass and will be reflected when they hit it. These systems are characterized in that their periodicity presents an alternation of materials with different density and Lamé coefficients, factors that determine the speed of sound propagation. This speed inside these crystals varies depending on the frequency, being in any case less than the speed of propagation in the air (WM Robertson and WFRudy III, J.Acoust.Soc.Am.104, 694 (1998) and C. Rubio et al J. Lightwave Tech. 17 (11), 2202 (1999)).
Parece por lo tanto coherente aprovechar este contraste de velocidades de transmisión del sonido entre el aire y el interior del cristal para diseñar lentes acústicas, de la misma forma que en las lentes ópticas se aprovecha la diferencia de índices de refracción entre el material que forma la lente y aire (que provoca una diferencia de velocidades de propagación) para variar la trayectoria de los rayos luminosos y producir colimaciones, dispersiones o concentraciones (existencia de un foco acústico) del sonido.It seems therefore consistent to take advantage of this contrast of sound transmission speeds between the air and the inside of the glass to design acoustic lenses, of the same so that the difference of refractive indexes between the material that forms the lens and air (which causes a difference in propagation speeds) to vary the path of the light rays and produce collimations, dispersions or concentrations (existence of a focus acoustic) of the sound.
La presente patente trata de un método para construir lentes acústicas utilizando cristales de sonido.The present patent deals with a method for Build acoustic lenses using sound crystals.
Una lente acústica se puede definir como un sistema que produce una desviación de la trayectoria de los haces sonoros que pasan a su través para concentrarlos (existencia de foco acústico), colimarlos o dispersarlos. Las principales características físicas que definen una lente acústica son dos: La primera es su forma externa, ya que para que exista efecto de lente, el sistema debe tener una forma externa determinada, de forma que según la ley de Snell se produzca curvatura de los haces sonoros. La segunda característica debe ser que la lente debe presentar distinta velocidad de transmisión del sonido en su interior en comparación con el medio externo.An acoustic lens can be defined as a system that produces a deviation from the trajectory of the beams sounds that pass through to concentrate them (existence of acoustic focus), collimate or disperse them. The main Physical characteristics that define an acoustic lens are two: first is its external form, since for there to be the effect of lens, the system must have a certain external form, of so that according to Snell's law, curvature of the beams occurs sonorous The second feature should be that the lens must present different speed of sound transmission in your interior compared to the external environment.
La novedad de esta patente es que la lente se fabrica utilizando un sistema denominado "cristal de sonido". Un cristal de sonido se define como un medio compuesto formado por centros dispersores para las ondas acústicas, dispuestos ordenadamente formando una red cristalina, y con distinta velocidad de propagación del sonido que el medio en el que están inmersos. Es decir, un cristal de sonido es un sistema heterogéneo no continuo, formado por dos medios de distinta velocidad de propagación del sonido. El principal efecto conocido hasta ahora de los cristales de sonido es la existencia de bandas de frecuencias prohibidas de transmisión (gaps en terminología inglesa). Si el intervalo de frecuencias prohibidas lo es para cualquier orientación del cristal, se dice que existe gap completo, sino es así se denomina gap a secas. Para profundizar un poco más en los cristales de sonido, especificaremos las características físicas de las distintas partes que lo forman, así como del cristal como sistema.The novelty of this patent is that the lens is manufactures using a system called "sound crystal". A sound crystal is defined as a composite medium formed by Disperser centers for acoustic waves, arranged neatly forming a crystalline network, and with different speed Sound propagation than the medium in which they are immersed. Is that is, a sound crystal is a heterogeneous non-continuous system, formed by two means of different propagation speed of the sound. The main known effect of crystals so far of sound is the existence of bands of prohibited frequencies of transmission (gaps in English terminology). If the interval of Forbidden frequencies is for any crystal orientation, it is said that there is a full gap, otherwise it is called a gap dry To delve a little deeper into the sound crystals, we will specify the physical characteristics of the different parts that form it, as well as crystal as a system.
La red cristalina define a un cristal. La estructura de cualquier cristal puede escribirse en función de una red, con un elemento (cilindro en nuestro caso), o grupo de elementos ligados a cada punto de la misma. El elemento o grupo de elementos se denomina base. Cuando esta estructura se repite en el espacio, en el plano o sobre una recta, forma la estructura cristalina tridimensional, bidimensional o unidimensional, respectivamente. La red cristalina puede ser de distintas formas: en el plano puede ser cuadrada, triangular, etc. En el espacio puede ser cúbica, diamante, etc.The crystal lattice defines a crystal. The structure of any crystal can be written based on a network, with an element (cylinder in our case), or group of elements linked to each point of it. The element or group of Elements is called base. When this structure is repeated in the space, in the plane or on a straight line, forms the structure three-dimensional, two-dimensional or one-dimensional crystalline, respectively. The crystalline network can be of different forms: in the plane it can be square, triangular, etc. In the space It can be cubic, diamond, etc.
Los centros dispersores pueden tener cualquier forma geométrica y estar fabricados con cualquier material, ser huecos o macizos y tener cualquier tamaño. Estas características, junto con la separación existente entre ellos (denominada parámetro de red), determina el intervalo de frecuencias sobre las que el cristal de sonido presenta gap o efecto de lente. Los centros dispersores pueden estar dispuestos según cualquier red cristalina, tanto en una, como en dos o tres dimensiones.Disperser centers can have any geometric shape and be made of any material, be hollow or solid and have any size. These characteristics, together with the separation between them (called parameter network), determines the range of frequencies over which the Sound crystal presents gap or lens effect. The centers dispersers can be arranged according to any crystalline network, both in one, as in two or three dimensions.
El medio en que están inmersos los centros dispersores debe ser homogéneo y de distinta velocidad de propagación del sonido que los centros dispersores.The environment in which the centers are immersed dispersers must be homogeneous and of different speed of Sound propagation than dispersing centers.
El cristal de sonido como sistema puede tener cualquier tamaño y forma geométrica externa, y la periodicidad de los centros dispersores puede ser en una, en dos o en tres dimensiones, denominándose a los cristales unidimensionales, bidimensionales o tridimensionales respectivamente. La relación entre la superficie o volumen de los centros dispersores y la superficie o volumen total del cristal se denomina factor de llenado. Conforme esta relación aumenta, el efecto de cristal de sonido, tanto en lo referente a aparición de gaps como a su utilización como lente, también aumenta.The sound crystal as a system can have any external geometric size and shape, and the periodicity of The dispersing centers can be in one, in two or in three dimensions, denominating the one-dimensional crystals, two-dimensional or three-dimensional respectively. The relationship between the surface or volume of the dispersing centers and the total surface or volume of the crystal is called the factor of fill. As this ratio increases, the crystal effect of sound, both in terms of the appearance of gaps and their use as a lens, also increases.
El presente invento proporciona un método para variar la dirección de propagación de haces sonoros en el rango del audible, mediante el diseño y fabricación de sistemas basados en cristales de sonido en dos y tres dimensiones.The present invention provides a method for vary the direction of propagation of sound beams in the range of audible, by designing and manufacturing systems based on Sound crystals in two and three dimensions.
En concreto se han diseñado cristales de sonido en dos y tres dimensiones. Los cristales en dos dimensiones se han fabricado utilizando como centros dispersores elementos cilíndricos huecos o macizos de distintos diámetros, longitudes y materiales, dispuestos periódicamente de forma que los ejes de los cilindros sean perpendiculares a la dirección de propagación de la onda, y con una densidad mayor que la densidad del aire, medio en el que están inmersos.Specifically sound crystals have been designed in two and three dimensions. The two-dimensional crystals have manufactured using cylindrical elements as dispersing centers holes or massifs of different diameters, lengths and materials, periodically arranged so that the axes of the cylinders are perpendicular to the direction of wave propagation, and with a density greater than the density of the air, medium in which they are immersed
En los cristales de sonido en tres dimensiones se han utilizado como centros dispersores elementos esféricos huecos o macizos de distintos diámetros y materiales, dispuestos periódicamente en las tres direcciones del espacio, siendo su densidad mayor que la del aire, medio en el que están inmersos.In the three-dimensional sound crystals you they have used hollow spherical elements as dispersing centers or massifs of different diameters and materials, arranged periodically in the three directions of space, being its density greater than that of the air, medium in which they are immersed.
Los sistemas diseñados de esta forma producen fenómenos de cambio de dirección de los rayos sonoros incidentes sobre ellos en todo el intervalo de frecuencias situado antes de su primer gap, debido al contraste de densidades y de coeficientes de Lamé que provoca a su vez un contraste de velocidades de propagación.Systems designed in this way produce phenomena of change of direction of the incident sound rays over them throughout the frequency range located before their first gap, due to the contrast of densities and coefficients of I licked which in turn causes a contrast of speeds of propagation.
Figura l: Esquema en planta de la lente biconvexa descrita en el ejemplo 1.Figure l: Schematic plan of the biconvex lens described in example 1.
Figuras 2a y 2b: Mapas comparativos de presiones acústicas realizados en cámara anecoica (frecuencia 1700 Hz) de acuerdo con el ejemplo 1 (el color blanco indica la máxima presión).Figures 2a and 2b: Comparative pressure maps acoustics performed in anechoic chamber (frequency 1700 Hz) of according to example 1 (the white color indicates the maximum Pressure).
Figuras 3a y 3b: Secciones longitudinales (figura. 3.a) y transversales (3.b) centrales de los mapas de las figuras 2.a y 2.b.Figures 3a and 3b: Longitudinal sections (figure 3.a) and central cross-sections (3.b) of the maps of the Figures 2.a and 2.b.
Figura 4: Esquema en planta de la lente plano-convexa descrita en el ejemplo 2.Figure 4: Outline plan of the lens plane-convex described in example 2.
Figuras 5a y 5b: Mapas comparativos de presiones acústicas realizados en la cámara anecoica (frecuencia 1700 Hz), de acuerdo con el ejemplo 2 (el color blanco indica la máxima presión).Figures 5a and 5b: Comparative pressure maps acoustics performed in the anechoic chamber (frequency 1700 Hz), of according to example 2 (the white color indicates the maximum Pressure).
Figuras 6a y 6b: Secciones longitudinales (figura. 6.a) y transversales (6.b) centrales de los mapas de las figuras 5.a y 5.b.Figures 6a and 6b: Longitudinal sections (figure 6.a) and central transversal (6.b) of the maps of the Figures 5.a and 5.b.
Figura 7: Esquema en planta del cristal de sonido rectangular descrito en el ejemplo 3.Figure 7: Schematic plan of the sound crystal rectangular described in example 3.
Figuras 8a y 8b: Mapas comparativos de presiones acústicas realizados en la cámara anecoica (frecuencia 1700 Hz) (el color blanco indica la máxima presión).Figures 8a and 8b: Comparative pressure maps acoustics performed in the anechoic chamber (frequency 1700 Hz) (the white color indicates maximum pressure).
Figura 9a: Secciones longitudinales centrales de los mapas de presiones anteriores en vacío (línea continua) y con el cristal rectangular situado (línea discontinua).Figure 9a: Central longitudinal sections of the previous pressure maps in empty (continuous line) and with the rectangular glass located (dashed line).
Figura 9b: comparación de las secciones transversales de los mapas de presiones anteriores en vacío y con el cristal rectangular.Figure 9b: section comparison cross-sections of the previous pressure maps in empty and with the rectangular glass.
La lente se ha construido a partir de un cristal de sonido bidimensional formado por cilindros de aluminio hueco de 4 cm de diámetro, con un espesor de pared de 0,05 mm y con una longitud de 1 m inmersos en aire. Estos cilindros están colgados de un bastidor situado a 2 m de altura. Todas las pruebas se han realizado en condiciones controladas. La disposición de los cilindros es en red triangular, con una periodicidad de 6,35 cm. La lente está formada por 158 cilindros, con una forma externa biconvexa.The lens has been built from a glass two-dimensional sound formed by hollow aluminum cylinders of 4 cm in diameter, with a wall thickness of 0.05 mm and with a length of 1 m immersed in air. These cylinders are hung from a frame located 2 m high. All tests have been performed under controlled conditions. The disposition of cylinders is triangular network, with a periodicity of 6.35 cm. The lens consists of 158 cylinders, with an external shape biconvex.
La figura 1 ilustra esquemáticamente esta lenta. La lente está formada por cilindros dispuestos según una simetría cristalina triangular en el plano del papel. La dirección perpendicular al papel coincide con los ejes de los cilindros.Figure 1 schematically illustrates this slow. The lens is formed by cylinders arranged according to symmetry triangular crystal in the plane of the paper. The direction perpendicular to the paper matches the axes of the cylinders.
Sobre esta lente se hace incidir un haz plano de ruido blanco en una dirección perpendicular a los ejes de los cilindros. El primer gap del cristal así formado empieza a una frecuencia de 2100 Hz. Por lo tanto, este sistema tendrá efecto de lente sobre los rayos acústicos para frecuencias menores de 2100 Hz. Al medir presiones en la zona de la cámara situada detrás de la lente, se observa un aumento de presión para estas frecuencias en una zona determinada. Esta zona de aumento de presión es lo que hemos denominado "foco acústico". El aumento de presión conseguido es de aproximadamente 5 dB. Este hecho indica que se ha producido una concentración de los rayos sonoros al pasar por el sistema, denominado a partir de ahora lente acústica o lente de sonido.A flat beam of white noise in a direction perpendicular to the axes of the cylinders The first gap of the crystal thus formed begins at a 2100 Hz frequency. Therefore, this system will have the effect of lens over acoustic rays for frequencies below 2100 Hz. When measuring pressures in the chamber area behind the lens, an increase in pressure is observed for these frequencies in A certain area. This zone of pressure increase is what We have called "acoustic focus." Pressure rise achieved is approximately 5 dB. This fact indicates that it has been produced a concentration of the sound rays when passing through the system, hereinafter referred to as acoustic lens or lens of sound.
Los pasos de diseño del sistema han sido los siguientes:The system design steps have been the following:
Se han elegido como centros dispersores cilindros de aluminio hueco de 1 m de longitud y 4 cm de diámetro, inmersos en aire.Cylinder dispersion centers have been chosen as hollow aluminum 1 m long and 4 cm in diameter, immersed in the air
Se han realizado medidas con redes cuadradas, triangulares y de panal de abeja, así como con cilindros de aluminio hueco, de espesor de pared 0,05 mm, longitud 1 m y diámetros 2, 3 y 4 cm, con el fin de elegir la estructura cristalina y el factor de llenado más adecuados para construir la lente. La medida de las velocidades en el interior del cristal se ha realizado mediante el método de la fase. La tabla 1 presenta los resultados de estas medidas. Se observa que la velocidad del sonido en el interior de los cristales es en todos los casos inferior a la de velocidad de transmisión del sonido en el aire.Measurements have been made with square networks, triangular and honeycomb, as well as with cylinders of hollow aluminum, wall thickness 0.05 mm, length 1 m and diameters 2, 3 and 4 cm, in order to choose the crystalline structure and the most suitable filling factor to build the lens. The measurement of the speeds inside the glass has performed using the phase method. Table 1 presents the Results of these measures. It is observed that the speed of sound inside the crystals it is in all cases inferior to the of transmission speed of sound in the air.
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Se ha elegido como red más apropiada aquella que cumpla dos condiciones simultáneamente:It has been chosen as the most appropriate network that meet two conditions simultaneously:
- La velocidad de propagación del sonido en las dos direcciones de máxima simetría sea lo más parecida posible para conseguir la mínima anisotropía.- The speed of sound propagation in two directions of maximum symmetry be as similar as possible to Get the minimum anisotropy.
- La velocidad de propagación del sonido sea lo más distinta posible a la de propagación en el aire.- The speed of sound propagation is what as different as possible from propagation in the air.
Revisando los datos obtenidos en la tabla, se observa que el cristal más idóneo es el formado por una red triangular de periodicidad 6,35 cm y diámetro de los cilindros 4 cm. Esta velocidad es, para ambas direcciones de máxima simetría de 273 m/s. El factor de llenado de esta red es de 0,36.Reviewing the data obtained in the table, it Note that the most suitable crystal is formed by a network triangular of 6.35 cm and diameter of cylinders 4 cm. This speed is, for both directions of maximum symmetry of 273 m / s. The filling factor of this network is 0.36.
La forma externa de la lente se ha calculado utilizando la igualdad de camino óptico, y suponiendo que sobre ella incide un haz plano. Esta forma viene indicada en la figura 1.The external shape of the lens has been calculated using optical path equality, and assuming that about She hits a flat beam. This form is indicated in the figure one.
Se han realizado mapas de presión de la cámara para observar el efecto de la lente en el campo acústico creado por la fuente sonora de ruido blanco. Las características de estos mapas son las siguientes:Camera pressure maps have been made to observe the effect of the lens on the acoustic field created by The sound source of white noise. The characteristics of these Maps are as follows:
- El micrófono mide presiones en un plano horizontal situado a 0,5 m del extremo inferior de los cilindros.- The microphone measures pressures in a plane horizontal located 0.5 m from the lower end of the cylinders
- El intervalo de medida del micrófono es de 10 cm tanto en anchura como en longitud de la cámara.- The measurement range of the microphone is 10 cm both in width and length of the camera.
En la figura 2a se presenta un mapa de la cámara en vacío para una frecuencia de 1700 Hz con el emisor funcionando pero sin situar la lente (se observa el campo de presiones generado por la fuente de ruido blanco). Se observa que el haz emitido por el generador es divergente conforme se aleja de la fuente y que el nivel de presión desciende conforme nos alejamos de la fuente sonora. En la figura 2b se presenta un mapa de presiones de la misma zona pero con la lente biconvexa de la figura 1 situada. En este mapa se observa que existe una zona detrás de la lente en la que el nivel de presión acústica aumenta. Esta es la prueba de la existencia de un foco acústico. Concretamente, en la figura 2b se puede apreciar una zona de máxima presión, que es el denominado foco acústico, y que el sonido no diverge como en el caso del mapa en vacío.A map of the camera is presented in figure 2a idle for a frequency of 1700 Hz with the transmitter running but without placing the lens (the pressure field generated is observed by the source of white noise). It is observed that the beam emitted by the generator is divergent as it moves away from the source and that the pressure level drops as we move away from the source sound A pressure map of the same area but with the biconvex lens of figure 1 located. In this map shows that there is an area behind the lens in the that the sound pressure level increases. This is the test of the existence of an acoustic focus. Specifically, in Figure 2b, you can see a zone of maximum pressure, which is called acoustic focus, and that the sound does not diverge as in the case of the map empty
En la figura 3a se presenta una sección longitudinal central de los mapas de presiones anteriores en vacío (línea continua) y con la lente biconvexa (línea discontinua. Se observa que, mientras la presión del sonido disminuye en vacío a lo largo de la cámara, cuando se sitúa la lente este nivel aumenta y presenta un máximo, para luego descender progresivamente (más lentamente que sin lente). En todo caso, el nivel de presión al final de la cámara es menor en vacío que con la lente biconvexa. En la figura 3b se presenta una sección transversal de los mapas de la figura 2 en la zona del foco en vacío y con la lente biconvexa. Se observa que la anchura del haz es menor cuando se sitúa la lente que en vacío.A section is presented in figure 3a Longitudinal central maps of previous pressures in vacuum (continuous line) and with the biconvex lens (dashed line. note that, while the sound pressure decreases in vacuum at length of the camera, when the lens is placed this level increases and it has a maximum, then descend progressively (more slowly than without lens). In any case, the pressure level at The camera's end is smaller in vacuum than with the biconvex lens. In Figure 3b shows a cross section of the maps of the Figure 2 in the focus area in a vacuum and with the biconvex lens. Be note that the width of the beam is smaller when the lens is placed than empty
Las características constructivas de la lente plano - convexa son las mismas que las expuestas en el ejemplo 1. La única diferencia es la forma externa de la lente. En este caso la lente tiene forma plano - convexa, estando la cara plana orientada hacia la fuente emisora de ruido blanco. El número de elementos (cilindros) que componen la lente es de 107.The constructive characteristics of the lens flat - convex are the same as those set out in example 1. The only difference is the external shape of the lens. In this case the lens is flat - convex, with the face flat oriented towards the source of white noise. The number of Elements (cylinders) that make up the lens is 107.
Los pasos de diseño del sistema son los siguientes:The system design steps are the following:
Los centros dispersores y el medio en que están inmersos utilizados en la fabricación de esta lente son los indicados en el ejemplo 1.The dispersing centers and the environment in which they are immersed used in the manufacture of this lens are the indicated in example 1.
Las características geométricas de la lente utilizada en este ejemplo son las mismas que las del ejemplo 1The geometric characteristics of the lens used in this example are the same as in example 1
La forma externa de la lente ha sido calculada en función de la mínima distancia acústica recorrida. Esta forma es, en este ejemplo, plana - convexa. Un esquema en planta de la forma de la lente viene indicado en la figura 4.The external shape of the lens has been calculated in function of the minimum acoustic distance traveled. This form is, In this example, flat - convex. An outline plan of the form of the lens is indicated in figure 4.
Las características de las medidas experimentales realizadas en el caso de esta lente son las mismas que en el caso del ejemplo 1.The characteristics of the experimental measurements made in the case of this lens are the same as in the case from example 1.
En la figura 5a se presenta un mapa de presiones de la cámara en vacío para una frecuencia de 1700 Hz. Este mapa ha sido presentado en el ejemplo 1. Se observa el campo de presiones generado por la fuente de ruido blanco empleada sin la lente (en vacío). Se observa que el haz emitido diverge conforme se aleja de la fuente. En la figura 5b se presenta un mapa de presiones obtenido con la lente de sonido descrita en la figura 4, de la misma zona que en vacío pero con la lente plano - convexa situada. Se observa la aparición de un foco acústico. Más concretamente, se puede apreciar una zona de máxima presión, que es el denominado foco acústico, y que el sonido no diverge como en el caso del mapa en vacío.A pressure map is presented in Figure 5a of the empty chamber for a frequency of 1700 Hz. This map has been presented in example 1. The pressure field is observed generated by the white noise source used without the lens (in empty). It is observed that the emitted beam diverges as it moves away from the fountain. A pressure map is presented in Figure 5b obtained with the sound lens described in figure 4, of the same area as empty but with the flat - convex lens located. The appearance of an acoustic focus is observed. More specifically, it you can see a zone of maximum pressure, which is called acoustic focus, and that the sound does not diverge as in the case of the map empty
En la figura 6a se presenta una sección longitudinal central de los mapas de presiones anteriores para la cámara en vacío (color negro) y con la lente plano - convexa situada en ella. Se observa que en el caso de la lente el nivel de presión aumenta en una zona (foco acústico) y luego decrece lentamente, mientras que en el caso del vacío el nivel de presión disminuye conforme nos alejamos del foco emisor. Es decir, se observa que el nivel de presión de sonido con la lente plano-convexa colocada (línea a trazos) presenta un máximo, y desciende más lentamente que sin lente (línea continua). El máximo aumento de presión conseguido se sitúa alrededor de 5 dB. En la figura 6b se presenta una sección transversal de los mapas de la figura 5 en la zona del foco para la cámara en vacío y con la lente plano - convexa situada. Se observa que el ancho del haz disminuye cuando la lente está situada, señal inequívoca de que existe una curvatura de los rayos acústicos.A section is presented in figure 6a longitudinal center of the previous pressure maps for the vacuum chamber (black color) and with flat lens - convex located in it. It is observed that in the case of the lens the level of pressure increases in one area (acoustic focus) and then decreases slowly, while in the case of vacuum the pressure level It decreases as we move away from the emitting focus. I mean, I know notice that the sound pressure level with the lens Placed-convex plane (dashed line) presents a maximum, and descends more slowly than without a lens (continuous line). The maximum pressure increase achieved is around 5 dB. Figure 6b shows a cross section of the maps of Figure 5 in the focus area for the empty chamber and with the flat lens - convex located. It is observed that the beam width decreases when the lens is located, an unequivocal signal that there is a curvature of the acoustic rays.
En este ejemplo se pretende demostrar la influencia de la forma externa del cristal de sonido en el poder de curvatura de los rayos acústicos con el fin de conseguir una lente de sonido.This example is intended to demonstrate the influence of the external shape of the sound crystal on the power of curvature of the acoustic rays in order to get a lens Sound.
Para ello, se han realizado medidas sobre un cristal de sonido de forma rectangular y se han comparado con las medidas en vacío, para comprobar que ambas medidas son similares, y que no existe efecto de lente debido a este cristal de caras planas.To this end, measures have been taken on a Rectangular sound crystal and have been compared with empty measurements, to verify that both measures are similar, and that there is no lens effect due to this face glass flat.
Las características generales de diseño y de medida son idénticos a las del ejemplo 1. La lente rectangular está compuesta por 144 cilindros, formando un rectángulo de 18x8 elementos.The general design features and of Measurements are identical to those in Example 1. The rectangular lens is composed of 144 cylinders, forming an 18x8 rectangle elements.
Los pasos del diseño del experimento son los siguientes:The steps of the experiment design are the following:
Los centros dispersores y el medio en que están inmersos utilizados en la fabricación de esta lente son los indicados en el ejemplo 1.The dispersing centers and the environment in which they are immersed used in the manufacture of this lens are the indicated in example 1.
Las características geométricas de la lente utilizada en este ejemplo son las mismas que las del ejemplo 1.The geometric characteristics of the lens used in this example are the same as in example 1.
La forma externa del cristal rectangular se ha elegido plana, para demostrar por comparación con el vacío que el poder de concentración de los rayos acústicos (existencia de un foco acústico) es función de la forma externa del cristal, es decir, que los cristales de sonido curvan los rayos acústicos y los concentran en un foco cuando la forma externa del cristal es curva al menos en parte del perímetro.The external shape of the rectangular glass has chosen flat, to show by comparison with the vacuum that the power of concentration of acoustic rays (existence of a acoustic focus) is a function of the external shape of the crystal, it is say that the sound crystals bend the acoustic rays and the focus on a focus when the external shape of the crystal is curved at least part of the perimeter.
Un esquema en planta de la forma del cristal de sonido rectangular viene indicada en las figura 7. Las características geométricas son idénticas que en los ejemplos 1 y 2. Varía únicamente la forma externa.A plan outline of the crystal shape of rectangular sound is indicated in figure 7. The geometric characteristics are identical as in examples 1 and 2. It varies only the external form.
Las características de las medidas experimentales realizadas en el caso de esta lente son las mismas que en el caso de los ejemplos 1 y 2.The characteristics of the experimental measurements made in the case of this lens are the same as in the case of examples 1 and 2.
En la figura 8a se presenta un mapa de presiones de la cámara en vacío para una frecuencia de 1700 Hz. Este mapa ha sido presentado en los ejemplos 1 y 2. En el mapa de la figura 8.a se observa el campo de presiones generado por la fuente de ruido blanco empleada sin el cristal de sonido (en vacío). Se observa que el haz emitido diverge conforme se aleja de la fuente.A pressure map is presented in Figure 8a of the empty chamber for a frequency of 1700 Hz. This map has been presented in examples 1 and 2. On the map of figure 8.a the pressure field generated by the noise source is observed white used without the sound crystal (empty). It is observed that the emitted beam diverges as it moves away from the source.
En la figura 8b se presenta un mapa de presiones del cristal de sonido rectangular para la misma frecuencia de 1700 Hz. Se observa que en ambos casos el mapa de presiones no presenta ninguna zona de máxima presión. En el caso del cristal rectangular se observa que el sonido no se concentra, sino que se dispersa en toda la superficie de la cámara en la que se ha realizado el mapa de presiones. Es decir, en ambos casos no se observa ningún aumento de presión. Esto demuestra que la curvatura del perímetro del cristal de sonido es esencial.A pressure map is presented in Figure 8b of the rectangular sound crystal for the same frequency of 1700 Hz. It is observed that in both cases the pressure map does not present No zone of maximum pressure. In the case of rectangular glass it is observed that the sound is not concentrated, but is dispersed in the entire surface of the camera on which the map of pressures That is, in both cases there is no increase in Pressure. This shows that the curvature of the perimeter of the crystal Sound is essential.
En la figura 9a se presentan las secciones longitudinales centrales de los mapas de presiones anteriores en vacío (línea continua) y con el cristal rectangular situado (línea discontinua). Se observa que en el caso del vacío la presión desciende conforme nos alejamos de la fuente emisora, mientras que en el caso del cristal rectangular la presión desciende hasta un nivel de 51 dB y se mantiene constante a lo largo de la longitud de la cámara. Esto indica que no existe curvatura de los rayos acústicos ( no existe foco) y que se pierde el efecto de lente de sonido. La figura 9b corrobora lo anteriormente afirmado: en una comparación de las secciones transversales de los mapas de presiones anteriores en vacío y con el cristal rectangular. Se observa que no existe estrechamiento del haz de sonido situando el cristal rectangular, lo que corrobora la ausencia de lente de sonido para este cristal, y que la capacidad de curvar los rayos acústicos (efecto de lente acústica) depende de la forma externa del cristal.The sections are presented in figure 9a longitudinal longitudinal maps of previous pressures in empty (continuous line) and with the rectangular glass located (line discontinuous). It is observed that in the case of vacuum the pressure descends as we move away from the source, while in the case of rectangular glass the pressure drops to a 51 dB level and remains constant along the length of the camera. This indicates that there is no curvature of the rays acoustics (there is no focus) and the lens effect of sound. Figure 9b corroborates the above: in a comparison of cross sections of pressure maps previous empty and with rectangular glass. It is noted that no there is narrowing of the sound beam by placing the crystal rectangular, which corroborates the absence of a sound lens for this crystal, and that the ability to bend the acoustic rays (acoustic lens effect) depends on the external shape of the crystal.
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| ES2237974B1 (en) | 2006-12-01 |
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