DISEÑO DE CRISTALES FONÓNICOS CONTENIENDO DEFECTOS LOCALES PARA LA TRANSMISIÓN CONTROLADA DE ONDAS DE ULTRASONIDO

Abstract

En la presente tesis, se describe el diseño, simulación, manufactura y caracterización experimental de diversos cristales fonónicos para demostrar la transmisión controlada de ondas de ultrasonido mediante defectos locales inducidos. Las estructuras fonónicas analizadas estuvieron conformadas por cilindros de acero inoxidable dispuestos periódicamente en una matriz de agua. Los cilindros, dispuestos cuadráticamente en un arreglo de 19 x 19 con un parámetro de red de 2mm, fueron de 1.6 mm de diámetro. Para el diseño y la simulación se utilizó la plataforma computacional COMSOL-Multiphysics, el proceso de manufactura en un centro de maquinado, mientras que la caracterización se hizo utilizando espectroscopía ultrasónica. En este proyecto se analizaron tres formas de controlar la propagación de ondas de ultrasonido a través de estructuras fonónicas. La primera forma de controlar la propagación fue mediante la disposición espacial de los defectos dentro del cristal. Los defectos se generaron al extraer los cilindros metálicos en posiciones específicas, para construir guías de onda basadas en líneas de defectos, dispuestos de manera vertical, horizontal y diagonal, con respecto a la dirección de propagación. Las propiedades acústicas, de las tres configuraciones propuestas se compararon con el cristal perfecto (sin defectos), estudiando también los efectos de la variación del diámetro de los dispersores de acero inoxidable. Los resultados fueron correlacionados tanto teórica como experimentalmente. La segunda forma de demostrar fue a través de la construcción de interferómetros acústicos formados por líneas de defectos dispuestos horizontal, vertical o diagonalmente, inspirados en los resultados de la primera forma de distribución de los defectos. A través de ello, se demostró como la disposición espacial de los defectos afecta la propagación de ondas acústicas, siendo una propagación restringida a un intervalo de frecuencias en el caso de disposiciones diagonales, en comparación de las horizontales. La tercera forma controlar la propagación de ondas acústica a través del cristal fue mediante la construcción de un demultiplexor acústico de dos brazos asimétricos, conformado también por defectos. Aquí, también se analizó el caso en el que los defectos están conformados por un sistema hidrogel termosensible base Poli-N-Isopropilacrilamida, PNIPAM, cuyas propiedades acústicas dependen de la temperatura. Para este caso, la trasmisión acústica se analizó a 20, 30 y 40°C, en el caso en el que los defectos son de agua, así como cuando contienen el sistema PNIPAM. Los resultados mostraron el efecto de la temperatura en la transmisión acústica, y cómo esta se vuelve selectiva y modulable con la presencia del sistema hidrogel.