El control de las propiedades acústicas de los cristales de sonido (CS) necesita del estudio de la distribución de dispersores en la propia estructura y de las propiedades acústicas intrínsecas de dichos dispersores. En este trabajo se presenta un estudio exhaustivo de diferentes distribuciones, así como el estudio de la mejora de las propiedades acústicas de CS constituidos por dispersores con propiedades absorbentes y/o resonantes. Estos dos procedimientos, tanto independientemente como conjuntamente, introducen posibilidades reales para el control de la propagación de ondas acústicas a través de los CS. Desde el punto de vista teórico, la propagación de ondas a través de estructuras periódicas y quasiperiódicas se ha analizado mediante los métodos de la dispersión múltiple, de la expansión en ondas planas y de los elementos finitos. En este trabajo se presenta una novedosa extensión del método de la expansión en ondas planas que permite obtener las relaciones complejas de dispersión para los CS. Esta técnica complementa la información obtenida por los métodos clásicos y permite conocer el comportamiento evanescente de los modos en el interior de las bandas de propagación prohibida del CS, así como de los modos localizados alrededor de posibles defectos puntuales en CS. La necesidad de medidas precisas de las propiedades acústicas de los CS ha provocado el desarrollo de un novedoso sistema tridimensional que sincroniza el movimiento del receptor y la adquisición de señales temporales. Los resultados experimentales obtenidos en este trabajo muestran una gran similitud con los resultados teóricos. La actuación conjunta de distribuciones de dispersores optimizadas y de las propiedades intrínsecas de éstos, se aplica para la generación de dispositivos que presentan un rango amplio de frecuencias atenuadas. Se presenta una alternativa a las barreras acústicas tradicionales basada en CS donde se puede controlar el paso de ondas a su través. Los resultados ayudan a entender correctamente el funcionamiento de los CS para la localización de sonido, y para el guiado y filtrado de ondas acústicas. / Romero García, V. (2010). On the control of propagating acoustic waves in sonic crystals: analytical, numerical and optimization techniques [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/8982 / Palancia

[ES] El control de ruido ambiental es una preocupación de primera magnitud para las sociedades avanzadas, debido a los problemas derivados que ocasionan en la salud de los ciudadanos. Una de las soluciones más extendidas para el control del ruido en su fase de transmisión en la utilización de pantallas acústicas. La aparición de nuevos materiales formados por redes de dispersores acústicos aislados, denominados cristales de sonido, está revolucionando el campo del apantallamiento acústico, posibilitando el avance tecnológico de esta área. Así, en los últimos años, las pantallas acústicas basadas en cristales de sonido se han posicionado como una alternativa viable a las pantallas acústicas tradicionales, puesto que ofrecen múltiples ventajas frente a las soluciones actuales. En el presente trabajo se muestra primeramente una recopilación de los avances realizados en el campo del apantallamiento acústico mediante esta tipología de pantallas. No obstante, aún existen líneas de investigación abiertas en esta área, que es necesario abordar para conseguir el objetivo de aplicar esta tecnología como atenuadores de sonido en las infraestructuras de transporte. Durante el periodo de formación de la doctoranda, se ha trabajado en algunas de las líneas de investigación activas en este campo del apantallamiento acústico. Una de estas investigaciones condujo al descubrimiento de interferencias entre los efectos de la resonancia y la dispersión múltiple de los cristales de sonido cuando estos efectos se producen en rangos de frecuencia cercanos. También hemos diseñado un nuevo dispositivo de reducción de ruido basado en cristales de sonido, utilizando herramientas de optimización multiobjetivo, que permitan apantallar y reflejar de forma difusa el ruido. El empleo de esta nueva herramienta de diseño identificó la necesidad de realizar un estudio comparativo de los métodos de simulación más utilizados para estimar el rendimiento de los dispositivos basados en cristales de sonido. Por último, hemos realizado un estudio psicoacústico para determinar la percepción de la reducción de molestia que proporcionan las pantallas acústicas basadas en cristales sonido y las barreras tradicionales, determinando si los parámetros objetivos que evalúan su rendimiento coinciden con la respuesta subjetiva de los usuarios. / [CA] El control de soroll ambiental és una preocupació de primera magnitud per a les societats avançades, a causa dels problemes derivats que ocasionen en la salut dels ciutadans. Una de les solucions més esteses per al control del soroll en la seua fase de transmissió en la utilització de pantalles acústiques. L'aparició de nous materials formats per xarxes de dispersors acústics aïllats, denominats cristals de so, està revolucionant el camp de l'apantallament acústic, possibilitant l'avanç tecnològic d'esta àrea. Així, en els últims anys, les pantalles acústiques basades en cristals de so s'han posicionat com una alternativa viable a les pantalles acústiques tradicionals, ja que oferixen múltiples avantatges enfront de les solucions actuals. En el present treball es mostra primerament una recopilació dels avanços realitzats en el camp de l'apantallament acústic per mitjà d'esta tipologia de pantalles. No obstant això, encara hi ha línies d'investigació obertes en esta àrea, que és necessari abordar per a aconseguir l'objectiu d'aplicar esta tecnologia com a atenuadors de so en les infraestructures de transport. Durant el període de formació de la doctoranda, s'ha treballat en algunes de les línies d'investigació actives en este camp de l'apantallament acústic. Una d'estes investigacions va conduir al descobriment d'interferències entre els efectes de la ressonància i la dispersió múltiple dels cristals de so quan estos efectes es produïxen en rangs de freqüència pròxims. També hem dissenyat un nou dispositiu de reducció de soroll basat en cristals de so, utilitzant ferramentes d'optimització multiobjectiu, que permeten apantallar i reflectir de forma difusa el soroll. L'ús d'esta nova ferramenta de disseny va identificar la necessitat de realitzar un estudi comparatiu dels mètodes de simulació més utilitzats per a estimar el rendiment dels dispositius basats en cristals de so. Finalment, hem realitzat un estudi psicoacústic per a determinar la percepció de la reducció de molèstia que proporcionen les pantalles acústiques basades en cristals so i les barreres tradicionals, determinant si els paràmetres objectius que avaluen el seu rendiment coincidixen amb la resposta subjectiva dels usuaris. / [EN] Control of environmental noise is a major concern for advanced societies because of the resulting problems for citizens' health. One of the most widespread solutions for controlling noise in its transmission phase is the use of acoustic screens. The emergence of new materials made up of arrays of isolated acoustic scatterers, called sonic crystals, is revolutionizing the field of acoustic screening. In recent years, acoustic screens based on sonic crystals have positioned themselves as a viable alternative to traditional acoustic screens, as they offer multiple advantages over current traditional solutions. This Doctoral dissertation compiles the advances in the field of acoustic screening using this type of sonic crystals. However, there is still active research in this area which needs to be addressed and studied in order to apply this technology as noise reduction devices in transport infrastructures. Therefore, during the PhD student's training period, we have researched the acoustic phenomena produced by isolated scatterers in order to better understand the physical phenomena behind the lasts designs of this type of screen. One of these researches led to the discovery of interferences between the effects of resonance and multiple scattering of sonic crystals when occurring in nearby frequency ranges. Also we have designed a new noise reduction device based on sonic crystals, using multi-objective optimization tools, which would block and diffuse the noise. This new designing tool identified the need for a comparative study of the most commonly used simulation methods to estimate the performance of devices based on sonic crystals. Finally, we have carried out a psychoacoustic study that determined the perception of the annoyance reduction provided by acoustic screens based on sonic crystals and traditional barriers, determining whether the objective parameters that evaluate their performance match to the subjective response of the users. / Agradezco al Ministerio de Ciencia e Innovación por la ayuda concedida dentro del programa Doctores Industriales. Asimismo, a mi tutor en empresa Dr. Juan José Martín Pino, por posibilitar la realización de esta investigación dentro de la empresa BECSA. Al Departamento de Física Aplicada de la Universitat Politècnica de València, a la Comisión Académica del Programa de Doctorado de Matemáticas y al Centro de Tecnologías Físicas: Acústica, Materiales y Astrofísica. / Peiró Torres, MDP. (2021). Research of the acoustic phenomenon produced by isolated scatterers and its applicability as a noise reducing device in transport infrastructures. Search for an optimised and sustainable design [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/164903 / TESIS

Tesis por compendio / [EN] Phononic crystals are artificial materials formed by a periodic arrangement of inclusions embedded into a host medium, where each of them can be solid or fluid. By controlling the geometry and the impedance contrast of its constituent materials, one can control the dispersive properties of waves, giving rise to a huge variety of interesting and fundamental phenomena in the context of wave propagation. When a propagating wave encounters a medium with different physical properties it can be transmitted and reflected in lossless media, but also absorbed if dissipation is taken into account. These fundamental phenomena have been classically explained in the context of homogeneous media, but it has been a subject of increasing interest in the context of periodic structures in recent years as well. This thesis is devoted to the study of different effects found in sonic and phononic crystals associated with transmission, reflection and absorption of waves, as well as the development of a technique for the characterization of its dispersive properties, described by the band structure. We start discussing the control of wave propagation in transmission in conservative systems. Specifically, our interest is to show how sonic crystals can modify the spatial dispersion of propagating waves leading to control the diffractive broadening of sound beams. Making use of the spatial dispersion curves extracted from the analysis of the band structure, we first predict zero and negative diffraction of waves at frequencies close to the band-edge, resulting in collimation and focusing of sound beams in and behind a 3D sonic crystal, and later demonstrate it through experimental measurements. The focusing efficiency of a 3D sonic crystal is limited due to the strong scattering inside the crystal, characteristic of the diffraction regime. To overcome this limitation we consider axisymmetric structures working in the long wavelength regime, as a gradient index lens. In this regime, the scattering is strongly reduced and, in an axisymmetric configuration, the symmetry matching with acoustic sources radiating sound beams increase its efficiency dramatically. Moreover, the homogenization theory can be used to model the structure as an effective medium with effective physical properties, allowing the study of the wave front profile in terms of refraction. We will show the model, design and characterization of an efficient focusing device based on these concepts. Consider now a periodic structure in which one of the parameters of the lattice, such as the lattice constant or the filling fraction, gradually changes along the propagation direction. Chirped crystals represent this concept and are used here to demonstrate a novel mechanism of sound wave enhancement based on a phenomenon known as "soft" reflection. The enhancement is related to a progressive slowing down of the wave as it propagates along the material, which is associated with the group velocity of the local dispersion relation at the planes of the crystal. A model based on the coupled mode theory is proposed to predict and interpret this effect. Two different phenomena are observed here when dealing with dissipation in periodic structures. On one hand, when considering the propagation of in-plane sound waves in a periodic array of absorbing layers, an anomalous decrease in the absorption, combined with a simultaneous increase of reflection and transmission at Bragg frequencies is observed, in contrast to the usual decrease of transmission, characteristic in conservative periodic systems at these frequencies. For a similar layered media, backed now by a rigid reflector, out-of-plane waves impinging the structure from a homogeneous medium will increase dramatically the interaction strength. In other words, the time delay of sound waves inside the periodic system will be considerably increased resulting in an enhanced absorption, for a broadband spectral range. / [ES] Los cristales fonónicos son materiales artificiales formados por una disposición periódica de inclusiones en un medio, pudiendo ambos ser de carácter sólido o fluido. Controlando la geometría y el contraste de impedancias entre los materiales constituyentes se pueden controlar las propiedades dispersivas de las ondas. Cuando una onda propagante se encuentra un medio con diferentes propiedades físicas puede ser transmitida y reflejada, en medios sin pérdidas, pero también absorbida, si la disipación es tenida en cuenta. La presente tesis está dedicada al estudio de diferentes efectos presentes en cristales sónicos y fonónicos relacionados con la transmisión, reflexión y absorción de ondas, así como el desarrollo de una técnica para la caracterización de sus propiedades dispersivas, descritas por la estructura de bandas. En primer lugar, se estudia el control de la propagación de ondas en transmisión en sistemas conservativos. Específicamente, nuestro interés se centra en mostrar cómo los cristales sónicos son capaces de modificar la dispersión espacial de las ondas propagantes, dando lugar al control del ensanchamiento de haces de sonido. Haciendo uso de las curvas de dispersión espacial extraídas del análisis de la estructura de bandas, se predice primero la difracción nula y negativa de ondas a frecuencias cercanas al borde de la banda, resultando en la colimación y focalización de haces acústicos en el interior y detrás de un cristal sónico 3D, y posteriormente se demuestra mediante medidas experimentales. La eficiencia de focalización de un cristal sónico 3D está limitada debido a las múltiples reflexiones existentes en el interior del cristal. Para superar esta limitación se consideran estructuras axisimétricas trabajando en el régimen de longitud de onda larga, como lentes de gradiente de índice. En este régimen, las reflexiones internas se reducen fuertemente y, en configuración axisimétrica, la adaptación de simetría con fuentes acústicas radiando haces de sonido incrementa la eficiencia drásticamente. Además, la teoría de homogenización puede ser empleada para modelar la estructura como un medio efectivo con propiedades físicas efectivas, permitiendo el estudio del frente de ondas en términos refractivos. Se mostrará el modelado, diseño y caracterización de un dispositivo de focalización eficiente basado en los conceptos anteriores. Considérese ahora una estructura periódica en la que uno de los parámetros de la red, sea el paso de red o el factor de llenado, cambia gradualmente a lo largo de la dirección de propagación. Los cristales chirp representan este concepto y son empleados aquí para demostrar un mecanismo novedoso de incremento de la intensidad de la onda sonora basado en un fenómeno conocido como reflexión "suave". Este incremento está relacionado con una ralentización progresiva de la onda conforme se propaga a través del material, asociado con la velocidad de grupo de la relación de dispersión local en los planos del cristal. Un modelo basado en la teoría de modos acoplados es propuesto para predecir e interpretar este efecto. Se observan dos fenómenos diferentes al considerar pérdidas en estructuras periódicas. Por un lado, si se considera la propagación de ondas sonoras en un array periódico de capas absorbentes, cuyo frente de ondas es paralelo a los planos del cristal, se produce una reducción anómala en la absorción combinada con un incremento simultáneo de la reflexión y transmisión a las frecuencias de Bragg, de forma contraria a la habitual reducción de la transmisión, característica de sistemas periódicos conservativos a estas frecuencias. En el caso de la misma estructura laminada en la que se cubre uno de sus lados mediante un reflector rígido, la incidencia de ondas sonoras desde un medio homogéneo, cuyo frente de ondas es perpendicular a los planos del cristal, produce un gran incremento de la fuerza de / [CA] Els cristalls fonònics són materials artificials formats per una disposició d'inclusions en un medi, ambdós poden ser sòlids o fluids. Controlant la geometría i el contrast d'impedàncies dels seus materials constituents, és poden controlar les propietats dispersives de les ondes, permetent una gran varietatde fenòmens fonamentals interessants en el context de la propagació d'ones. Quan una ona propagant troba un medi amb pèrdues amb propietats físiques diferents es pot transmetre i reflectir, però també absorbida si la dissipació es té en compte. Aquests fenòmens fonamentals s'han explicat clàssicament en el context de medis homogenis, però també ha sigut un tema de creixent interés en el context d'estructures periòdiques en els últims anys. Aquesta tesi doctoral tracta de l'estudi de diferents efectes en cristalls fonònics i sònics lligats a la transmissió, reflexió i absorció d'ones, així com del desenvolupament d'una tècnica de caracterització de les propietats dispersives, descrites mitjançant la estructura de bandes. En primer lloc, s'estudia el control de la propagació ondulatori en transmissió en sistemes conservatius. Més específicament, el nostre interés és mostrar com els cristalls sonors poden modificar la dispersió espacial d'ones propagants donant lloc al control de l'amplària per difracció dels feixos sonors. Mitjançant les corbes dispersió espacial obtingudes de l'anàlisi de l'estructura de bandes, es prediu, en primer lloc, la difracció d'ones zero i negativa a freqüències próximes al final de banda. El resultat és la collimació i focalització de feixos sonors dins i darrere de cristalls de so. Després es mostra amb mesures experimentals. L'eficiència de focalització d'un cristall de so 3D està limitada per la gran dispersió d'ones dins del cristall, que és característic del règim difractiu. Per a superar aquesta limitació, estructures axisimètriques que treballen en el règim de llargues longituds d'ona, i es comporten com a lents de gradient d'índex. En aquest règim, la dispersió es redueix enormement i, en una configuració axisimètrica, a causa de l'acoblament de la simetría amb les fonts acústiques que radien feixos sonors, l'eficiència de radiació s'incrementa significativament. D'altra banda, la teoria d'homogeneïtzació es pot utilitzar per a modelar, dissenyar i caracteritzar un dispositiu eficient de focalització basat en aquests conceptes. Considerem ara una estructura periòdica en la qual un dels seus paràmetres de xarxa, com ara la constant de xarxa o el factor d'ompliment canvia gradualment al llarg de la direcció de propagació. Els cristalls chirped representen aquest concepte i s'utilitzen ací per a demostrar un mecanisme nou d'intensificació d'ones sonores basat en el fenòmen conegut com a reflexió "suau". La intensificació està relacionada amb la alentiment progressiva de l'ona conforme propaga al llarg del material, que està associada amb la velocitat de grup de la relació de dispersió local en els diferents plànols del cristall. Es proposa un model basat en la teoria de modes acoblats per a predir i interpretar este efecte. Dos fenòmens diferents cal destacar quan es tracta d'estructures periòdiques amb dissipació. Per un costat, al considerar la propagació d'ones sonores en el plànol en un array periòdic de capes absorbents, s'observa una disminució anòmala de l'absorció i es combina amb un augment simultani de reflexió i transmissió en les freqüències de Bragg que contrasta amb la usual disminució de transmissió, característica dels sistemes conservatius a eixes freqüències. Per a un medi similar de capes, amb un reflector rígid darrere, les ones fora del pla incidint l'estructura des de un medi homogeni, augmentaran considerablement la interacció. En altres paraules, el retràs temporal de les ones sonores dins del sistema periòdic augmentarà significativament produint un augmen / Cebrecos Ruiz, A. (2015). Transmission, reflection and absorption in Sonic and Phononic Crystals [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/56463 / TESIS / Premios Extraordinarios de tesis doctorales / Compendio