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Master's Dissertation
DOI
10.11606/D.3.2012.tde-16072013-170010
Document
Author
Full name
Hipolito Alan Arredondo Champi
E-mail
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
São Paulo, 2012
Supervisor
Committee
Salcedo, Walter Jaimes (President)
Chubaci, José Fernando Diniz
Justo Filho, João Francisco
Title in Portuguese
Projeto e modelagem de metamateriais acústicos e elásticos por ressonâncias Mie.
Keywords in Portuguese
Índice de refração negativo
Metamateriais acústicos e elásticos
Teoria do meio efetivo
Abstract in Portuguese
Os metamateriais acústicos/elásticos são materiais que apresentam características elásticas diferentes dos materiais comuns encontrados na natureza, sendo o índice de refração negativo a principal característica destes novos materiais. A literatura reporta que esta propriedade é atingida para uma faixa muito estreita de frequências, sendo um efeito muito localizado, e, adicionalmente, as estruturas propostas são ideais em extremo, o que dificulta sua aplicação prática em dispositivos acústicos. O objetivo do presente trabalho foi projetar metamateriais acústicos e elásticos tridimensionais com índice de refração negativo numa faixa de frequência mais longa em relação ao reportado na literatura, e utilizando geometrias e materiais que tornem viável sua implementação prática para a fabricação de dispositivos. Com este propósito foi desenvolvido um formalismo da teoria de meio efetivo (TME), no limite de comprimento de onda longa e baixas frações de preenchimento. Com a TME desenvolvida foi estudado o espalhamento de inclusões esféricas simples, revestidas e duplamente revestidas em diferentes matrizes hospedeiras. Os resultados mostraram a existência de bandas ressonantes nos coeficientes da matriz T relacionadas aos modos monopolares, dipolares e quadrupolares. Materiais compósitos constituídos por esferas simples, revestidas ou duplamente revestidas foram analisados utilizando o formalismo TME. Os resultados mostraram que os valores negativos dos parâmetros elásticos nestes materiais estão completamente relacionados aos efeitos ressonantes das inclusões esféricas. Metamateriais elásticos e acústicos foram projetados sobrepondo dois ou mais compósitos diferentes, cada um com diferentes propriedades, de tal forma que o efeito total no metamaterial apresente as características definidas no projeto inicial. O metamaterial elástico foi projetado utilizando a sobreposição de três compósitos de inclusões esféricas diferentes. Este metamaterial apresentou índice de refração negativa na região de 2 kHz, numa faixa de largura igual a 80 Hz. O metamaterial acústico foi projetado sobrepondo dois compósitos de inclusões esféricas diferentes. Este material apresentou índice de refração negativa na região de 7 kHz, numa faixa de 500 Hz. As geometrias e materiais utilizados no projeto destes metamateriais são acessíveis e de fácil manipulação, o que facilitará sua futura fabricação em laboratório. Os resultados obtidos neste trabalho sugerem a possibilidade de fabricar estes metamateriais no laboratório e empregá-los no controle de ondas acústicas, elásticas e sísmicas, assim como também no projeto de um manto de invisibilidade acústica/elástica.
Title in English
Design and modeling of acoustic and elastic metamaterials by Mie resonances.
Keywords in English
Effective medium theory
Metamaterials acoustic and elastic
Negative refractive index
Abstract in English
The acoustic/elastic metamaterials are materials that show different elastic features from common materials found in nature and their main characteristics are their negative refractive index. The literature reports that this property is reached for a very narrow range of frequencies, as a very localized phenomenon, and additionally, the proposed structures are extremely ideals, which makes its practical application difficult on acoustic devices. The objective of this work was to design acoustic/elastic three-dimensional Metamaterials with negative refractive index in a wider frequency band than that reported in the literature, and using geometries and materials that make it possible their practical implementation for manufacturing acoustic/elastic devices. With this purpose a formalism of the effective medium theory (EMT) was developed, in the limit of wavelength and low fill fractions. With the developed EMT, the scattering of simple spherical inclusions, coated and doubly coated in different host substrates were studied. The results showed the existence of resonant bands in the coefficients of the T matrix related to monopolar, dipolar and quadrupolar modes. Composite materials consisting of simple, coated or double coated spheres were analyzed using the EMT formalism. The results showed that the negative values of elastic parameters in these materials are completely related to resonant effects of the spheres of inclusion. Elastic and acoustic Metamaterials were designed by overlaying two or more different composites, each with different properties, such that the overall effect on the metamaterial shows the desired features defined in the initial project. The elastic metamaterial was designed by overlapping three different composites of different spherical inclusions. This metamaterial shows negative refractive index in the region of 2 kHz, in a band of width of 80 Hz. The acoustic metamaterial was designed by overlapping two composites of different spherical inclusions. This material shows negative refractive index in the region of 7 kHz, in a band of width of 500 Hz. The geometries and materials used in the design of these Metamaterials are affordable and easy to handle, which will facilitate their future fabrication in the laboratory. The results obtained in this study suggest the possibility to manufacture these metamaterials in the laboratory and use them in the control of acoustic, elastic and seismic waves, as well as in the design of invisible cloak.
 
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Publishing Date
2013-07-23
 
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