Lente acústica tridimensional.

Se describe una lente acústica tridimensional con simetría de revolución para focalizar,

colimar o dispersar haces sonoros. Las lentes están formadas por anillos concéntricos de un material con propiedades acústicas diferentes del las del medio en que se hallan inmersos y por tanto actuando como dispersores del sonido.

Lente acústica tridimensional.

Objeto de la invención

La presente invención hace referencia a un tipo de ingeniería de materiales con la que se pueden realizar operaciones con sonido muy similares a las que se llevan a cabo con luz: focalizar en un punto, por ejemplo.

Concretamente, el objeto de la invención hace referencia a lentes acústicas tridimensionales con simetría de revolución alrededor del eje sobre el que se producirá la focalización del sonido.

Antecedentes de la invención

En los últimos años se han propuesto de forma teórica ciertos tipos de lentes acústicas bidimensionales en el rango audible.

En el rango de los ultrasonidos existen en el mercado lentes acústicas basadas en el cambio de densidad y velocidad del sonido entre dos medios homogéneos con superficies curvadas. Esto es, lentes basadas en la refracción del sonido. Estas lentes tienen su principal aplicación en medicina (Ecografías, Litotricia, etc).

Los "cristales acústicos", por su analogía con los "cristales fotónicos", son estructuras formadas por una distribución periódica en el espacio de centros dispersores de sonido (de luz en el caso fotónico). Estos pueden ser unidimensionales (1D), bidimensionales (2D) o tridimensionales (3D), dependiendo de que la periodicidad del sistema sea en una, dos o tres dimensiones. A diferencia de los cristales fotónicos, donde el fenómeno de naturaleza ondulatoria implicado es de carácter vectorial (Campo Electromagnético), en los cristales acústicos interviene un campo escalar como es la Presión. Este punto es de crucial importancia en la presente solicitud, dado que permite establecer la equivalencia entre sistemas 2D y sistemas 3D. El hecho de presentar una estructura periódica tiene como consecuencia la aparición de bandas de frecuencia donde la propagación del sonido no está permitida dentro del cristal. Son las llamadas bandas prohibidas acústicas ("acoustic bandgaps" en la bibliografía). Aunque la existencia de estas bandas ha sido utilizada para proponer los cristales acústicos como un material aislante, la propiedad más interesante sería la referida a esa banda de frecuencias para la que el cristal es transparente. Así, se ha demostrado que la velocidad del sonido dentro del cristal acústico, en tal intervalo de frecuencias, es menor que la velocidad del sonido en el aire. Esta propiedad sirvió para construir lentes acústicas con cristales acústicos bidimensionales, del mismo modo que se hace con las lentes ópticas convencionales de caras curvadas tal y como se describe en la patente de invención española ES2237974. En ésta también se hace alusión a lentes acústicas basadas en cristales de sonido bidimensionales y tridimensionales como método para desviar la trayectoria de los haces sonoros para concentrarlos (existencia de un foco acústico), colimarlos o dispersarlos, utilizando un medio compuesto no homogéneo denominado "cristal de sonido", formado por elementos materiales de una geometría determinada, dispuestos periódicamente, y en los que la velocidad de propagación del sonido es diferente a del aire o medio que los rodea. En este tipo de lentes acústicas la focalización se producía gracias al fenómeno que experimentan las ondas de cambiar de dirección en su trayectoria al pasar a un medio con velocidad de propagación diferente, la refracción. Los centros dispersores de sonido estaban formados por cilindros de aluminio que, dispuestos en paralelo, formaban un cristal acústico con velocidad de propagación efectiva del sonido inferior a la del aire. Dado que la lente ocupaba un volumen finito, los centros dispersores estaban dispuestos de forma periódica sobre un plano (siendo cilindros, dicho plano es el perpendicular al eje de éstos), y decimos que los cristales acústicos utilizados en este caso eran bidimensionales. Por esta misma razón, en la estructura tridimensional real hecha con cilindros de un metro de longitud, el sonido se no focalizaba en un punto, sino sobre una recta paralela al eje de los cilindros en el espacio tridimensional de aproximadamente un metro de longitud (la misma longitud que los propios cilindros. El hecho de que el lugar geométrico de focalización sea una recta en lugar de un punto resta efectividad a este tipo de lentes. Por otro lado, la propia existencia de bandas prohibidas para la propagación del sonido impedía un funcionamiento práctico, pues la lente debe funcionar como tal en un amplio espectro de frecuencias.

Como se ha dicho, las lentes acústicas bidimensionales basadas en la refracción del sonido presentaban ciertos inconvenientes. Para superarlos se introdujo una técnica diferente a la de curvar las caras exteriores (o superficies límite) de la lente. Dicha técnica consistía en suprimir o cambiar el tamaño de los centros dispersores (el radio de los cilindros en el ejemplo presentado) del cristal acústico bidimensional con una herramienta de optimización adecuada. La herramienta utilizada fueron los denominados algoritmos genéticos, que forman parte de un conjunto de algoritmos basados en el proceso de selección natural de los individuos más aptos. Gracias a la utilización de esta nueva técnica de optimización, también denominada diseño inverso, se diseñaron lentes acústicas capaces de trabajar dentro de cierto intervalo de frecuencias (1000-2000 Hz) dentro del rango audible; poco después aparecieron las primeras comprobaciones experimentales donde se demostraba la utilidad práctica de este tipo de lentes acústicas. Por otro lado el uso de esta técnica no permitió salvar el obstáculo de la falta de efectividad antes comentada debido al hecho de ser lentes del tipo bidimensional.

Descripción de la invención

A diferencia de lo que sucede en los cristales fotónicos, donde el fenómeno de naturaleza ondulatoria implicado es de carácter vectorial (Campo Electromagnético), en los cristales acústicos interviene un campo escalar como es la Presión. Este punto es de crucial importancia en la presente invención, dado que permite establecer la equivalencia entre sistemas bidimensionales (2D) y sistemas tridimensionales (3D).

La lente acústica tridimensional objeto de la invención tiene simetría de revolución, lo cuál es mucho más ventajoso en términos de diseño. El objeto de la invención establece un paralelismo, a la par que una mejora, entre las lentes bidimensionales formadas por cilindros y sus equivalentes formadas por anillos concéntricos. Al igual que un círculo en el plano tiene como equivalente en el espacio tridimensional una esfera, cuando aplicamos una rotación alrededor de una recta que pasa por su centro, dos círculos forman un anillo en el espacio cuando realizamos esta operación sobre la mediatriz del segmento que une sus centros.

En primer lugar, se parte de una disposición de pares de círculos no optimizada donde una onda acústica incide desde un lado, por ejemplo la izquierda, sobre la estructura; a continuación el algoritmo de diseño inverso encuentra una disposición de círculos 2D optimizada para un propósito determinado (por ejemplo la focalización del sonido). Sea este sistema el formado por 5 pares de círculos en el plano donde el eje x representa el eje de simetría del conjunto de pares de círculos. Al pasar este sistema directamente al espacio 3D mediante una extrusión en z obtenemos una lente acústica 2D formada por cilindros de altura finita. Si por el contrario, el paso al sistema 3D se realiza mediante una rotación alrededor del eje x en lugar de una extrusión en z, obtenemos el tipo de lentes acústicas 3D objeto de la invención, que, a diferencia de la lente descrita en la patente española ES2237974, presenta simetría axial y focaliza en un punto del espacio en lugar de en una recta, lo que incrementa sus potencial práctico. De esta manera, cada par de círculos con centros en (a, b) y (a,-b) y radio r son transformados al espacio tridimensional en un anillo con el eje x como eje de simetría, radio mayor b+r y radio menor b-r.

El objeto de la invención hace uso del hecho de que, así como las lentes acústicas 2D focalizan el sonido a lo largo de una recta paralela al eje de los cilindros, las lentes acústicas 3D con simetría de revolución lo hacen en un punto situado en su eje de simetría, el denominado foco, de esta manera las lentes aquí presentadas aumentan su eficiencia sobre las conocidas en el estado de la técnica, siendo sencillo computacionalmente su diseño al realizarse este en un espacio bidimensional. Si bien existen diferentes procedimientos para calcular lentes acústicas bidimensionales, el concepto que define la presente invención puede...

1. Lente acústica tridimensional para focalizar, colimar y/o dispersar haces sonoros caracterizada porque comprende una distribución espacial según un patrón de unos elementos dispersores de dichos haces sonoros que se encuentran inmersos en un medio continuo en cuyo seno la velocidad de propagación del sonido es distinta con respecto de la de los elementos dispersores.

2. Lente acústica según reivindicación 1 caracterizada porque el tamaño de la lente se define en concordancia a una longitud de onda a la que trabaja.

3. Lente acústica según reivindicación 1 ó 2 caracterizada porque los elementos dispersores tienen simetría de revolución.

4. Lente acústica según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizada porque los elementos dispersores se encuentran ubicados a la misma distancia unos de otros.

5. Lente acústica según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3 caracterizada porque los elementos dispersores se encuentran ubicados a distintas distancias unos de otros.

6. Lente acústica según reivindicación 4 ó 5 caracterizada porque el patrón está definido por un algoritmo matemático, en función de la focalización y de la posición de al menos un foco determinado por un punto a lo largo del eje de simetría de cada uno de los elementos dispersores en el cual la presión acústica es máxima.

7. Lente acústica según reivindicación 6 caracterizada porque el algoritmo matemático es un algoritmo de diseño inverso.

8. Lente acústica según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizada porque los elementos dispersores son anillos.

9. Lente acústica según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizada porque los elementos dispersores están fabricados en un material con propiedades acústicas diferentes del las del medio en que se hallan inmersos para actuar como dispersores de haces sonoros.

10. Lente acústica según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizada porque adicionalmente comprende un reflector parabólico como emisor de los haces sonoros.

11. Uso de la lente acústica descrita en una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10 como lente acústica en aplicaciones médicas como litotricia.

12. Uso de la lente acústica descrita en una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10 como lente acústica en aplicaciones médicas tales como cirugía no incisiva.

13. Uso de la lente acústica descrita en una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10 en aplicaciones de lucha contra la contaminación acústica como desviador y/o cancelador de ruido.