Ακουστικά Μεταϋλικά για ακουστική βελτίωση χώρων, ακουστικών δομών και μουσικών οργάνων

Περιγραφή

Τα ακουστικά μεταϋλικά και οι φωνovικοί κρύσταλλοι αποτελούν μια πολλά υποσχόμενη τεχνολογία για τον έλεγχο και τη διαχείριση του ήχου, με εφαρμογές στη μόνωση θορύβου, την ακουστική δωματίων, την εστίαση ήχου και την ανάπτυξη ακουστικών φίλτρων. Η πειραματική τους αξιολόγηση, ωστόσο, ήταν μέχρι πρότινος περιορισμένη από τις συμβατικές μεθόδους (σωλήνες εμπέδησης, μεγάφωνα), οι οποίες έχουν σημαντικά μειονεκτήματα: περιορισμένη γεωμετρία δειγμάτων, στενό εύρος συχνοτήτων, αδυναμία διέγερσης εντός της δομής και προβλήματα περίθλασης.

Η ερευνητική μας ομάδα ανέπτυξε μια καινοτόμο μέθοδο χαρακτηρισμού που βασίζεται σε Πηγές Ήχου Πλάσματος παραγόμενου από Laser (LPSS). Η μέθοδος αυτή προσφέρει μοναδικά πλεονεκτήματα:

1. Ιδανική Πηγή Ήχου:Οι LPSS δημιουργούνται εστιάζοντας παλμούς laser (π.χ., 6 ns, 532 nm) στον αέρα. Η φωτοδιάσπαση (Laser-Induced Breakdown) δημιουργεί πλάσμα που θερμαίνεται και διαστέλλεται απότομα, παράγοντας έναν χαρακτηριστικό ακουστικό N-παλμό. Ο παλμός αυτός:
   • Είναιευρυζωνικός, καλύπτοντας ολόκληρο το ακουστικό φάσμα (από υπόηχους <20 Hz έως >20 kHz) και φτάνοντας έως και τους υπερήχους (>500 kHz με fs laser).
   • Είναισημειακός και άμαζος, με αποτέλεσμα να μην επηρεάζει το υπό μέτρηση δείγμα και να επιτρέπει την τοποθέτηση του σε οποιοδήποτε σημείο, ακόμα και εντός της δομής.
   • Έχει υψηλή στάθμη ηχητικής πίεσης (>130 dB).
   • Η εκπομπή του είναιομοιοκατευθυντική (για σημειακές πηγές) ή ελεγχόμενα κατευθυντική (γραμμικές πηγές), επιτρέποντας μετρήσεις σε πολλαπλούς άξονες διάδοσης.
2. Ευελιξία Μετρήσεων:Χρησιμοποιώντας LPSS, μπορούμε να:
   • Αξιολογήσουμε τη μετάδοση ήχου μέσα από δομές αυθαίρετης γεωμετρίας, χωρίς τους περιορισμούς των σωλήνων εμπέδησης.
   • Διεγείρουμε τη δομή από διαφορετικές θέσεις (εξωτερικά ή εσωτερικά) και να μετρήσουμε την απόκριση σε πολλαπλές διευθύνσεις.
   • Επαναλάβουμε μετρήσεις με υψηλή πιστότητα και να εξαλείψουμε τον θόρυβο μέσω μέσου όρου πολλαπλών αποκρίσεων.
3. Επικύρωση Υπολογιστικών Μοντέλων:Τα πειραματικά αποτελέσματα συγκρίνονται με προσομοιώσεις FEM (COMSOL Multiphysics), οι οποίες μοντελοποιούν την αλληλεπίδραση του ακουστικού κύματος με τη δομή. Η εξαιρετική συμφωνία μεταξύ πειράματος και προσομοίωσης επικυρώνει τόσο τη μέθοδο όσο και τα μοντέλα

Βασικά Ευρήματα και Εφαρμογές:

• Ακριβής Χαρτογράφηση Ζωνών Αποκοπής:Η μέθοδος LPSS αποκαλύπτει με λεπτομέρεια ζώνες αποκοπής (band gaps) που προβλέπονται από τη θεωρία Bragg, ανιχνεύοντας ακόμα και ζώνες σε πολύ χαμηλές συχνότητες (υπόηχοι – λίγα kHz), δύσκολα μετρήσιμες με συμβατικά μέσα. Η δυνατότητα αυτή είναι κρίσιμη για το σχεδιασμό αποτελεσματικών ηχομονωτικών υλικών και ακουστικών φίλτρων.
• Επίδραση Ατελειών:Η μέθοδος ανιχνεύει με ακρίβεια την εισαγωγή ατελειών (π.χ., ελαττωματική κυψελίδα), οι οποίες προκαλούν μετατόπιση συντονισμών και δημιουργία νέων κορυφών εντός των ζωνών αποκοπής. Το εύρημα αυτό αξιοποιείται για την ανάπτυξη ακουστικών αισθητήρων και διατάξεων εντοπισμού ατελειών.
• Ανάλυση Πολλαπλότητας Κυψελίδων:Η μελέτη της επίδρασης του αριθμού κυψελίδων (2 έως 5) στην ακουστική απόκριση έδειξε ότι:
  • Το βάθος των ζωνών αποκοπής αυξάνεται εκθετικά, με 3-4 κυψελίδες να αρκούν για την προσέγγιση άπειρου κρυστάλλου, καθορίζοντας την ελάχιστη δομή για πρακτικές εφαρμογές ηχομόνωσης.
  • Οι κορυφές συντονισμού, που αποδίδονται σε σφαιρικές αρμονικές (l=0,1,2) και στάσιμα κύματα, αυξάνονται με την πολλαπλότητα, επιτρέποντας το σχεδιασμό ακουστικών φίλτρων με ελεγχόμενο εύρος ζώνης διέλευσης.
• Κατευθυντικότητα και Τρισδιάστατα Φίλτρα:Σε κυβικές δομές, η μέθοδος μετρά την απόκριση σε τρεις διαφορετικές διευθύνσεις, αποδεικνύοντας ότι η δομή μπορεί να λειτουργήσει ως ομοιογενές τρισδιάστατο ακουστικό φίλτρο. Η ιδιότητα αυτή είναι θεμελιώδης για εφαρμογές χωρικής διαμόρφωσης ήχου, όπως η εστίαση και η κατευθυντική εκπομπή.

Δημοσιεύσεις – Έργα

Kaleris, K., Kaniolakis-Kaloudis, E., Aravantinos-Zafiris, N., Katerelos, D.T.G., Dimitriou, V.M., Bakarezos, M., Tatarakis, M., Mourjopoulos, J., Sigalas, M.M., Papadogiannis, N.A. (2024). Acoustic metamaterials characterization via laser plasma sound sources. Communications Materials, 5, 93. https://doi.org/10.1038/s43246-024-00529-w

Kaniolakis Kaloudis, E., Kaleris, K., Aravantinos-Zafiris, N., Sigalas, M., Katerelos, D.T.G., Dimitriou, V., Bakarezos, M., Tatarakis, M., Papadogiannis, N.A. (2025). Evaluating the Role of Unit Cell Multiplicity in the Acoustic Response of Phononic Crystals Using Laser-Plasma Sound Sources. Materials, 18(6), 1251. https://doi.org/10.3390/ma18061251