🔊 Lente Acústica

Uma placa zonal de Fresnel é uma estrutura plana com anéis concêntricos alternadamente transparentes e opacos (ou invertendo fase). Ondas que passam pelos anéis abertos chegam ao ponto focal com a mesma fase e interferem construtivamente. O raio do m-ésimo anel é r_m = √(mλf), onde λ é o comprimento de onda e f é a distância focal. Placas zonais podem focalizar o som sem geometria curva — útil quando fabricar uma lente curva é impraticável — mas são ineficientes porque bloqueiam (ou absorvem) metade da onda incidente. São usadas em imagem acústica, litotripsia e manipulação ultrassônica.

Uma lente GRIN tem uma velocidade do som que varia continuamente ao longo de sua seção transversal — mais rápida nas bordas, mais lenta no centro (para convergência) — em vez de depender da refração de interface. Os raios se curvam gradualmente em vez de abruptamente, eliminando reflexões de interface e permitindo uma abertura muito ampla. Lentes acústicas GRIN podem ser realizadas usando metamateriais estruturados — arranjos periódicos de inclusões sub-comprimento de onda (hastes, placas) — onde a velocidade do som efetiva é controlada pela fração de preenchimento. Lentes GRIN de cristal fonônico já foram demonstradas para imagem ultrassônica em frequências de kHz a MHz.

Para uma lente plano-convexa com raio de curvatura R e índice de refração n, a fórmula de lente fina dá f = R/(n – 1). A simulação estima a distância focal a partir da geometria da lente e exibe tanto a distância focal teórica quanto a observada. A distância focal observada é medida encontrando a posição de amplitude de pressão de pico no eixo após a lente, que pode diferir do valor teórico devido a efeitos de difração, abertura finita e ao fato de que a aproximação de lente fina falha quando o diâmetro da lente é comparável a f.

O ganho focal é a razão entre a amplitude de pressão acústica no ponto focal e a amplitude de pressão incidente. Para uma lente circular de diâmetro D e distância focal f operando no comprimento de onda λ, o ganho limitado por difração é aproximadamente G ≈ (πD²)/(4λf) — a razão do "número f" determina o limite. Em ultrassom focalizado de alta intensidade (HIFU) médico, transdutores focalizados alcançam ganhos de 100–1.000, concentrando energia suficiente para ablacionar tecido tumoral no ponto focal, deixando o tecido ao redor intacto.

O comprimento de onda λ = c₀/f muda com a frequência, afetando a difração. Em frequências mais altas o comprimento de onda é mais curto em relação à abertura da lente, então a óptica geométrica (de raios) se torna uma melhor aproximação e o ponto focal é mais nítido. Em frequências mais baixas, a difração espalha o feixe mais significativamente e o ponto focal se alarga. Frequências muito baixas podem não produzir foco visível algum se o comprimento de onda exceder o diâmetro da lente. Essa dependência da frequência (aberração cromática na acústica) é importante em sistemas de imagem por pulso de banda larga.

Uma lente côncava (mais fina no centro que nas bordas) feita de material mais lento faz as frentes de onda centrais atravessarem menos meio lento que as frentes de onda das bordas, então o centro chega adiantado e a frente de onda se curva para fora — um efeito divergente. Os raios parecem se originar de um ponto focal virtual no lado da fonte da lente. Lentes acústicas côncavas são usadas para espalhar o som por uma ampla área (por exemplo, em sonar subaquático para obter cobertura de feixe amplo) ou para colimar ondas divergentes de uma fonte pontual em uma frente de onda plana.

Um cristal fonônico é um arranjo periódico de dois (ou mais) materiais com impedâncias acústicas contrastantes, tipicamente com periodicidade da ordem do comprimento de onda acústico. Assim como cristais fotônicos para a luz, cristais fonônicos podem criar bandas proibidas (faixas de frequência que não se propagam), produzir densidade efetiva ou módulo de compressibilidade negativos, e alcançar índices de refração não encontrados em materiais naturais — incluindo n < 0. Cristais fonônicos de índice negativo podem atuar como "superlentes acústicas" que superam o limite de difração, permitindo imagem sub-comprimento de onda, uma área ativa de pesquisa.

O HIFU médico (Ultrassom Focalizado de Alta Intensidade) usa arranjos de transdutores focalizados para ablacionar tecido de próstata, fibroma uterino e tumor cerebral sem incisões, com aprovações da FDA desde 2004. A litotripsia estilhaça cálculos renais usando ondas de choque focalizadas. Pinças acústicas usam ondas estacionárias focalizadas para capturar e classificar células, bactérias e micropartículas por tamanho em dispositivos lab-on-chip. Arranjos de sonar usam formação de feixe por arranjo em fase (equivalente eletrônico de uma lente) para mapeamento subaquático. Ensaios ultrassônicos industriais focalizam feixes em soldas e peças fundidas para detectar rachaduras internas em resolução sub-milimétrica.