Olağanüstü akustik geçirgenlik sergileyen sıfıra yakın yoğunluklu mercek

Abstract

Bu tez çalışmasında membran kaplı akustik metamalzemelere dayalı küçük hacimli ultra ince akustik mercek sayısal hesaplamalarla tasarlanmıştır. Bu mercek, çemberler üzerine dizilmiş farklı kalınlıklarda elastik membran kaplı dairesel kavitelerden oluşmaktadır. Duyulabilir bölgede 2190 Hz frekansında odaklama için tasarlanan mercekler 2 mm kalınlığında çelik levhadan üretilmiş ve membran olarak kalınlığı 70 m ile 200 m arasında değişen alüminyum folyo kullanılmıştır. Sonlu Elemanlar Yöntemi simülasyonları ile membran kaplı dairesel kaviteler optimize edilmiş ve faz ilişkileri incelenerek mercekler tasarlanmıştır. Tasarımda da komşu dairesel kaviteleri terk eden akustik dalgalar arasında küçük faz farkları oluşması sağlanarak klasik Fresnel merceğine göre küçük boyutlarda ve etkin odaklama sağlayan mercekler tasarlanmıştır. Ortaya konulan yaklaşımla akustik merceğin yarıçapı klasik Fresnel merceğine kıyasla teorik olarak %80 oranında küçültülmüştür. Membran kaplı dairesel kavitelerin iki boyutta periyodik diziliminin rezonans frekansında sıfıra yakın yoğunluk sergilediği gözlenmiştir. Kırınım limitinin altında ve kırınım limitine yakın odaklama sayısal olarak gösterilmiştir. Bu çalışmasında elde edilen sonuçlar akustik odaklama gerektiren pek çok uygulamada kullanım olanağı bulanabileceği düşünülmektedir.

In this Thesis, low-volume ultra-thin acoustic lens based on membrane-covered acoustic metamaterials are designed by numarical calculations. This lens consists of elastic designed to focus at 2190 Hz in the audible frequency range are fabricated from steel plates with a thickness of 2 mm, whereas aluminum foils whose thickness are between 70 µm and 200 µm are employed as membranes. Membrane-covered cavities are optimized through Finite-Element membrane-clad in different thicknesses circular cavities arranged on circles. Lens which are Method simulations and lens are designed by investigating phase relations.By facilitating small phase differences between acoustic waves emanating from neighboring cavities in the designs, lens with considerably smaller sizes with respect to a conventional Fresnel lens which are capable of efficiently focusing sound are designed. With the proposed approach, the radius of the lens has been reduced theoretically by 80% according to Fresnel lens. Membrane-covered circular cavities which periodically aligned in two dimensions are observed to exhibit density-near-zero at the resonance frequency. Sub-wavelength and nearly sub-wavelength focusing are numerically demonstrated. The obtained results of the study can be utilized in a variety applications requiring acoustic focusing.