Metamaterial acústico

El módulo de compresibilidad β es una medida de la resistencia de una sustancia a la compresión uniforme. Se define como la relación entre el aumento de presión necesario para provocar una disminución relativa determinada del volumen.

La densidad de masa (o simplemente densidad ) de un material se define como masa por unidad de volumen y se expresa en gramos por centímetro cúbico (g/cm³ ⁾ . ^{[ 13 ]} En los tres estados clásicos de la materia (gas, líquido o sólido), la densidad varía con un cambio de temperatura o presión, siendo los gases los más susceptibles a estos cambios. El espectro de densidades es amplio: desde 10¹⁵ ^g /cm³ ^para las estrellas de neutrones , 1,00 g/cm³ ^para el agua, hasta 1,2 × 10⁻³ ^g /cm³ ^para el aire. ^{[ 13 ]} Otros parámetros relevantes son la densidad superficial , que es la masa sobre un área (bidimensional), la densidad lineal , que es la masa sobre una línea unidimensional, y la densidad relativa , que es la densidad dividida por la densidad de un material de referencia, como el agua.

En los materiales acústicos y metamateriales acústicos, tanto el módulo de compresibilidad como la densidad son parámetros componentes que definen su índice de refracción. El índice de refracción acústico es similar al concepto utilizado en óptica , pero se refiere a ondas de presión o de cizallamiento , en lugar de ondas electromagnéticas .

Los metamateriales acústicos o cristales fonónicos pueden entenderse como el análogo acústico de los cristales fotónicos : en lugar de ondas electromagnéticas (fotones) que se propagan a través de un material con un índice de refracción óptico modificado periódicamente (lo que resulta en una velocidad de la luz modificada ), el cristal fonónico comprende ondas de presión (fonones) que se propagan a través de un material con un índice de refracción acústico modificado periódicamente, lo que resulta en una velocidad del sonido modificada .

Además de los conceptos paralelos de índice de refracción y estructura cristalina, tanto las ondas electromagnéticas como las ondas acústicas se describen matemáticamente mediante la ecuación de onda .

La realización más simple de un metamaterial acústico consistiría en la propagación de una onda de presión a través de una lámina con un índice de refracción modificado periódicamente en una dimensión. En ese caso, el comportamiento de la onda a través de la lámina o "pila" puede predecirse y analizarse mediante matrices de transferencia . Este método es omnipresente en óptica, donde se utiliza para describir las ondas de luz que se propagan a través de un reflector de Bragg distribuido .

En ciertas bandas de frecuencia , la densidad de masa efectiva y el módulo de compresibilidad pueden volverse negativos. Esto resulta en un índice de refracción negativo . El enfoque de lámina plana , que puede resultar en superresolución , es similar a los metamateriales electromagnéticos. Los parámetros doblemente negativos son resultado de resonancias de baja frecuencia . ^{[ 14 ]} En combinación con una polarización bien definida durante la propagación de la onda; k = | n | ω , es una ecuación para el índice de refracción cuando las ondas sonoras interactúan con metamateriales acústicos (abajo): ^{[ 15 ]}

${\displaystyle n^{2}={\frac {\rho }{\beta }}}$

Los parámetros inherentes del medio son la densidad de masa ρ , el módulo de compresibilidad β y la quiralidad k . La quiralidad, o lateralidad, determina la polaridad de la propagación de la onda ( vector de onda ). Por lo tanto, dentro de la última ecuación, son posibles soluciones de tipo Veselago (n² ⁼ u * ε) para la propagación de la onda, ya que el estado negativo o positivo de ρ y β determina la propagación de la onda hacia adelante o hacia atrás. ^{[ 15 ]}

En los metamateriales electromagnéticos, la permitividad negativa se puede encontrar en materiales naturales. Sin embargo, la permeabilidad negativa debe crearse intencionalmente en el medio de transmisión artificial . Para los materiales acústicos, ni ρ ni β negativos se encuentran en materiales naturales; ^{[ 15 ]} se derivan de las frecuencias de resonancia de un medio de transmisión fabricado artificialmente, y tales valores negativos constituyen una respuesta anómala. Un valor negativo de ρ o β significa que, a ciertas frecuencias, el medio se expande al experimentar compresión (módulo negativo) y se acelera hacia la izquierda al ser empujado hacia la derecha (densidad negativa). ^{[ 15 ]}

El espectro electromagnético se extiende desde las bajas frecuencias utilizadas en la radio moderna hasta la radiación gamma en el extremo de onda corta, abarcando longitudes de onda desde miles de kilómetros hasta una fracción del tamaño de un átomo. En comparación, las frecuencias infrasónicas van desde 20  Hz hasta 0,001  Hz, las frecuencias audibles van de 20  Hz a 20  kHz y el rango ultrasónico supera los 20  kHz.

Si bien las ondas electromagnéticas pueden viajar en el vacío, la propagación de las ondas acústicas requiere un medio.

En una estructura reticular rígida, los átomos ejercen fuerzas entre sí, manteniendo el equilibrio . La mayoría de estas fuerzas atómicas, como los enlaces covalentes o iónicos , son de naturaleza eléctrica. La fuerza magnética y la fuerza de gravedad son despreciables. ^{[ 16 ]} Debido a la unión entre ellos, el desplazamiento de uno o más átomos de sus posiciones de equilibrio da lugar a un conjunto de ondas de vibración que se propagan a través de la red. Una de estas ondas se muestra en la figura de la derecha. La amplitud de la onda viene dada por los desplazamientos de los átomos de sus posiciones de equilibrio. Se indica la longitud de onda λ. ^{[ 17 ]}

Existe una longitud de onda mínima posible , dada por la separación de equilibrio a entre los átomos. Cualquier longitud de onda más corta que esta puede mapearse a una longitud de onda larga, debido a efectos similares al aliasing . ^{[ 17 ]}

En el año 2000, la investigación de Liu et al. allanó el camino hacia los metamateriales acústicos mediante cristales sónicos , que presentan brechas espectrales dos órdenes de magnitud menores que la longitud de onda del sonido. Estas brechas espectrales impiden la transmisión de ondas a frecuencias predefinidas. La frecuencia puede ajustarse a los parámetros deseados variando el tamaño y la geometría. ^{[ 2 ]}

El material fabricado consistía en esferas de plomo sólido de alta densidad como núcleo, de un centímetro de tamaño y recubiertas con una capa de caucho de silicona de 2,5 mm . Estas se dispusieron en una estructura de red cristalina cúbica de 8 × 8 × 8. Las esferas se cementaron en la estructura cúbica con una resina epoxi . La transmisión se midió en función de la frecuencia de 250 a 1600  Hz para un cristal sónico de cuatro capas. Una lámina de dos centímetros absorbió sonido que normalmente requeriría un material mucho más grueso, a 400  Hz. Se observó una caída en la amplitud a 400 y 1100  Hz. ^{[ 2 ] [ 22 ]}

Se compararon las amplitudes de las ondas sonoras que incidían en la superficie con las ondas sonoras en el centro de la estructura. Las oscilaciones de las esferas recubiertas absorbieron energía sónica, lo que generó una brecha de frecuencia; la energía sonora se absorbió exponencialmente a medida que aumentaba el espesor del material. El resultado clave fue la constante elástica negativa generada por las frecuencias de resonancia del material.

Las aplicaciones proyectadas de los cristales sónicos son la reflexión de ondas sísmicas y los ultrasonidos. ^{[ 2 ] [ 22 ]}

En 2004, los resonadores de anillo partido (SRR) se convirtieron en objeto de investigación en el campo de los metamateriales acústicos. El análisis de las características de la banda prohibida de frecuencia, derivadas de las propiedades limitantes inherentes de los SRR creados artificialmente, se realizó en paralelo al análisis de los cristales sónicos. Las propiedades de la banda prohibida de los SRR se relacionaron con las propiedades de la banda prohibida de los cristales sónicos. Esta investigación implica una descripción de las propiedades mecánicas y los problemas de la mecánica de medios continuos para los cristales sónicos, como sustancia macroscópicamente homogénea. ^{[ 18 ]}

La correlación en las capacidades de banda prohibida incluye elementos resonantes locales y módulos elásticos que operan en un rango de frecuencia determinado. Los elementos que interactúan y resuenan en su área localizada respectiva están integrados en todo el material. En los metamateriales acústicos, los elementos resonantes locales serían la interacción de una esfera de caucho de 1 cm con el líquido circundante. Los valores de las frecuencias de banda de rechazo y banda prohibida se pueden controlar eligiendo el tamaño, los tipos de materiales y la integración de estructuras microscópicas que controlan la modulación de las frecuencias. Estos materiales son capaces de blindar las señales acústicas y atenuar los efectos de las ondas de corte antiplanares. Extrapolando estas propiedades a escalas mayores, sería posible crear filtros de ondas sísmicas (véase Metamateriales sísmicos ). ^{[ 18 ]}

Los metamateriales en matriz pueden crear filtros o polarizadores de ondas electromagnéticas o elásticas . Se han desarrollado métodos que pueden aplicarse al control de bandas de parada y brechas de banda bidimensionales con estructuras fotónicas o sónicas. ^{[ 18 ]} De forma similar a la fabricación de metamateriales fotónicos y electromagnéticos, un metamaterial sónico incorpora fuentes localizadas de densidad de masa ρ y parámetros de módulo de compresibilidad β, que son análogos a la permitividad y la permeabilidad, respectivamente. Los metamateriales sónicos (o fonónicos) son cristales sónicos. Estos cristales tienen un núcleo sólido de plomo y un recubrimiento de silicona más blando y elástico . ^{[ 2 ]} Los cristales sónicos tenían resonancias localizadas incorporadas debido a las esferas recubiertas, lo que resulta en curvas de dispersión casi planas . Movchan y Guenneau analizaron y presentaron brechas de banda de baja frecuencia e interacciones de ondas localizadas de las esferas recubiertas. ^{[ 18 ]}

Este método puede utilizarse para ajustar las brechas de banda inherentes al material y para crear nuevas brechas de banda de baja frecuencia. También es aplicable al diseño de guías de onda de cristal fonónico de baja frecuencia. ^{[ 18 ]}

Los cristales fonónicos son materiales sintéticos formados por la variación periódica de las propiedades acústicas del material (es decir, elasticidad y masa). Una de sus propiedades principales es la posibilidad de tener una banda prohibida fonónica. Un cristal fonónico con banda prohibida fonónica impide que los fonones de determinados rangos de frecuencia se transmitan a través del material . ^{[ 24 ] [ 25 ]}

Para obtener la estructura de bandas de frecuencia de un cristal fonónico, se aplica el teorema de Bloch a una celda unitaria en el espacio de la red recíproca ( zona de Brillouin ). Existen varios métodos numéricos para este problema, como el método de expansión de ondas planas , el método de elementos finitos y el método de diferencias finitas . ^{[ 26 ]}

Para acelerar el cálculo de la estructura de banda de frecuencia, se puede utilizar el método de expansión de modo de Bloch reducido (RBME). ^{[ 26 ]} El RBME se aplica sobre cualquiera de los métodos numéricos de expansión primaria mencionados anteriormente. Para modelos de celda unitaria grandes, el método RBME puede reducir el tiempo de cálculo de la estructura de banda hasta en dos órdenes de magnitud.

La base de los cristales fonónicos se remonta a Isaac Newton, quien imaginó que las ondas sonoras se propagaban por el aire de la misma manera que una onda elástica se propagaría a lo largo de una red de masas puntuales conectadas por resortes con una constante elástica E. Esta constante elástica es idéntica al módulo del material . Con cristales fonónicos de materiales con módulos diferentes, los cálculos son más complejos que este modelo simple. ^{[ 24 ] [ 25 ]}

Un factor clave para la ingeniería de la banda prohibida acústica es el desajuste de impedancia entre los elementos periódicos que componen el cristal y el medio circundante. Cuando un frente de onda que avanza encuentra un material con una impedancia muy alta, tenderá a aumentar su velocidad de fase a través de ese medio. Del mismo modo, cuando el frente de onda que avanza encuentra un medio de baja impedancia, se ralentizará. Este concepto puede aprovecharse con disposiciones periódicas de elementos con desajuste de impedancia para afectar las ondas acústicas en el cristal. ^{[ 24 ] [ 25 ]}

La posición de la banda prohibida en el espacio de frecuencias para un cristal fonónico está controlada por el tamaño y la disposición de los elementos que lo componen. El ancho de la banda prohibida generalmente está relacionado con la diferencia en la velocidad del sonido (debido a diferencias de impedancia) a través de los materiales que forman el compuesto. ^{[ 24 ] [ 25 ]} Los cristales fonónicos reducen eficazmente el ruido de baja frecuencia, ya que sus sistemas resonantes locales actúan como filtros de frecuencia espacial . Sin embargo, tienen bandas prohibidas estrechas, imponen un peso adicional al sistema primario y funcionan solo en el rango de frecuencia ajustado. Para ampliar las bandas prohibidas, las celdas unitarias deben ser de gran tamaño o contener materiales densos. Como solución a las desventajas mencionadas anteriormente de los cristales fonónicos, ^{[ 27 ]} propone una novedosa metaestructura reentrante tridimensional ligera compuesta por un dispersor de haz en forma de cruz incrustado en una placa anfitriona con agujeros basada en el metamaterial de red cuadrada. Al combinar el mecanismo de redes de reentrada y la teoría de Floquet-Bloch, sobre la base de la teoría de vigas en forma de cruz y el mecanismo de perforación, se demostró que una estructura fonónica tan ligera puede filtrar ondas elásticas en un amplio rango de frecuencias (no solo en una región estrecha específica) al tiempo que reduce significativamente el peso de la estructura.

Los metamateriales electromagnéticos (isotrópicos) poseen estructuras resonantes incorporadas que exhiben permitividad y permeabilidad negativas efectivas para ciertos rangos de frecuencia. En contraste, es difícil construir materiales acústicos compuestos con resonancias incorporadas tales que las dos funciones de respuesta efectivas sean negativas dentro de la capacidad o el rango del medio de transmisión . ^{[ 10 ]}

La densidad de masa ρ y el módulo de compresibilidad β dependen de la posición. Utilizando la formulación de una onda plana , el vector de onda es: ^{[ 10 ]}

${\displaystyle {\vec {k}}={\frac {\ |n|\omega }{c}}.\,}$

Con la frecuencia angular representada por ω , y siendo c la velocidad de propagación de la señal acústica a través del medio homogéneo . Con densidad y módulo de compresibilidad constantes como componentes del medio, el índice de refracción se expresa como n² ⁼ ρ / β. Para que se desarrolle una onda plana que se propague a través del material, es necesario que tanto ρ como β sean positivos o negativos. ^{[ 10 ]}

Cuando se alcanzan los parámetros negativos, el resultado matemático del vector de Poynting es...${\displaystyle \scriptstyle {\overleftarrow {s}}}$está en la dirección opuesta al vector de onda${\displaystyle \scriptstyle {\overrightarrow {k}}}$Esto requiere valores negativos en el módulo de compresibilidad y la densidad. Los materiales naturales no tienen una densidad negativa ni un módulo de compresibilidad negativo, pero los valores negativos son matemáticamente posibles y pueden demostrarse al dispersar caucho blando en un líquido. ^{[ 10 ] [ 28 ] [ 29 ]}

Incluso para materiales compuestos, el módulo de compresibilidad efectivo y la densidad deben estar normalmente limitados por los valores de los constituyentes, es decir, la derivación de límites inferiores y superiores para los módulos elásticos del medio. La expectativa de un módulo de compresibilidad positivo y una densidad positiva es intrínseca. Por ejemplo, la dispersión de partículas sólidas esféricas en un fluido da como resultado una relación regida por la gravedad específica cuando interactúa con la longitud de onda acústica larga (sonido). Matemáticamente, se puede demostrar que β _eff y ρ _eff son definitivamente positivos para materiales naturales. ^{[ 10 ] [ 28 ]} La excepción ocurre en bajas frecuencias de resonancia. ^{[ 10 ]}

Como ejemplo, la doble negatividad acústica se demuestra teóricamente con un compuesto de esferas de caucho de silicona blandas suspendidas en agua. ^{[ 10 ]} En el caucho blando, el sonido viaja mucho más lento que a través del agua. El alto contraste de velocidad del sonido entre las esferas de caucho y el agua permite la transmisión de frecuencias monopolares y dipolares muy bajas. Esto es análogo a la solución analítica para la dispersión de radiación electromagnética, o dispersión de onda plana electromagnética , por partículas esféricas: esferas dieléctricas . ^{[ 10 ]}

Por lo tanto, existe un rango estrecho de frecuencias normalizadas 0,035 < ωa/(2πc) < 0,04 donde el módulo de compresibilidad y la densidad negativa son ambos negativos. Aquí, a es la constante de red si las esferas están dispuestas en una red cúbica centrada en las caras (fcc); ω es la frecuencia angular y c es la velocidad de la señal acústica. El módulo de compresibilidad y la densidad efectivos cerca del límite estático son positivos, como se predijo. La resonancia monopolar crea un módulo de compresibilidad negativo por encima de la frecuencia normalizada en aproximadamente 0,035, mientras que la resonancia dipolar crea una densidad negativa por encima de la frecuencia normalizada en aproximadamente 0,04. ^{[ 10 ]}

Este comportamiento es análogo a las resonancias de baja frecuencia producidas en SRR (metamateriales electromagnéticos). Los cables y anillos divididos crean una respuesta dipolar eléctrica y magnética intrínseca. Con este metamaterial acústico artificialmente construido de esferas de caucho y agua, solo una estructura (en lugar de dos) crea las resonancias de baja frecuencia para lograr la doble negatividad. ^{[ 10 ]} Con la resonancia monopolar, las esferas se expanden, lo que produce un desfase entre las ondas que pasan a través del caucho y el agua. Esto crea una respuesta negativa. La resonancia dipolar crea una respuesta negativa tal que la frecuencia del centro de masa de las esferas está desfasada con el vector de onda de la onda sonora (señal acústica). Si estas respuestas negativas son lo suficientemente grandes como para compensar el fluido de fondo, se puede tener tanto un módulo de compresibilidad efectivo negativo como una densidad efectiva negativa. ^{[ 10 ]}

Tanto la densidad de masa como el inverso del módulo de compresibilidad disminuyen con la suficiente rapidez como para que la velocidad de grupo se vuelva negativa (doble negatividad). Esto da lugar al resultado deseado de refracción negativa. La doble negatividad es consecuencia de la resonancia y de las propiedades de refracción negativa resultantes.

En 2007 se informó sobre un metamaterial que posee simultáneamente un módulo de compresibilidad negativo y una densidad de masa negativa. Este metamaterial es una estructura de blenda de zinc que consiste en una matriz fcc de esferas de agua con burbujas (BWS) y otra matriz fcc relativamente desplazada de esferas de oro recubiertas de caucho (RGS) en una resina epoxi especial. ^{[ 30 ]}

El módulo de compresibilidad negativo se logra mediante resonancias monopolares de la serie BWS. La densidad de masa negativa se logra con resonancias dipolares de la serie de esferas de oro. En lugar de esferas de caucho en líquido, se trata de un material sólido. Esto también representa, hasta el momento, la obtención simultánea de módulo de compresibilidad y densidad de masa negativos en un material sólido, lo cual constituye una distinción importante. ^{[ 30 ]}

Además del módulo de compresibilidad y la densidad de masa, los materiales de Willis exhiben módulos constitutivos no locales —análogos a los módulos bianisotrópicos en electromagnetismo ^{[ 31 ] [ 32 ]} — que permiten la manipulación de ondas acústicas. Los módulos de Willis acoplan la tensión a la velocidad de partícula y el momento lineal a la deformación, y reciben su nombre de JR Willis, quien los predijo utilizando un método de homogeneización dinámica. ^{[ 33 ] [ 34 ] [ 35 ]} Gran parte del interés reciente en los acoplamientos de Willis ha sido impulsado por su forma local (las ecuaciones de Milton-Briane-Willis ^{[ 32 ]} ). Al extender el método de homogeneización de Willis, Pernas-Salomón y Shmuel fueron los primeros en demostrar que los compuestos piezoeléctricos poseen un acoplamiento efectivo entre el momento lineal y el campo eléctrico, que denominaron acoplamiento electromomento . ^{[ 36 ]} El módulo de acoplamiento electromomento proporciona un mecanismo para la manipulación de ondas similar al acoplamiento de Willis, con la ventaja adicional de la sintonizabilidad eléctrica. ^{[ 37 ]}

Los resonadores de doble C (DCR) son anillos cortados por la mitad que pueden disponerse en múltiples configuraciones de celdas, de forma similar a los SRRS. Cada celda consta de un disco rígido grande y dos ligamentos delgados, y actúa como un pequeño oscilador conectado por resortes. Un resorte ancla el oscilador y el otro se conecta a la masa. Es análogo a un resonador LC de capacitancia C, inductancia L y frecuencia de resonancia √1/(LC). La velocidad del sonido en la matriz se expresa como c = √ ρ /μ, donde ρ es la densidad y μ es el módulo de corte . Aunque se considera la elasticidad lineal, el problema se define principalmente por ondas de corte dirigidas en ángulos con respecto al plano de los cilindros. ^{[ 14 ]}

Se produce una brecha de banda fonónica asociada a la resonancia del anillo cilíndrico partido. Existe una brecha de banda fonónica dentro de un rango de frecuencias normalizadas. Esto ocurre cuando la inclusión se mueve como un cuerpo rígido . El diseño DCR produjo una banda adecuada con una pendiente negativa en un rango de frecuencias. Esta banda se obtuvo mediante la hibridación de los modos de un DCR con los modos de barras delgadas y rígidas. Los cálculos han demostrado que a estas frecuencias:

• un haz de sonido se refracta negativamente a través de una lámina de dicho medio,
• El vector de fase en el medio posee partes real e imaginaria con signos opuestos,
• El medio está bien adaptado en impedancia con el medio circundante,
• Una lámina plana del metamaterial puede proyectar una imagen de una fuente a través de la lámina como una lente de Veselago.
• La imagen formada por la losa plana tiene una considerable resolución de imagen sublongitudinal, y
• Una doble esquina del metamaterial puede actuar como un resonador abierto para el sonido.

En 2009, Shu Zhang et al. presentaron el diseño y los resultados de las pruebas de una lente de metamaterial ultrasónico para enfocar ondas sonoras de 60  kHz (~2  cm de longitud de onda) bajo el agua. ^{[ 4 ]} La lente estaba hecha de elementos sublongitudinales, potencialmente más compactos que las lentes fonónicas que operan en el mismo rango de frecuencia. ^{[ 4 ]}

La lente consiste en una red de cavidades llenas de fluido llamadas resonadores de Helmholtz que oscilan a ciertas frecuencias. De forma similar a una red de inductores y capacitores en un metamaterial electromagnético, la disposición de las cavidades de Helmholtz diseñada por Zhang et al. tiene un módulo dinámico negativo para ondas ultrasónicas. Una fuente puntual de  sonido de 60,5 kHz se enfocó en un punto de aproximadamente el ancho de media longitud de onda, y existe la posibilidad de mejorar aún más la resolución espacial. ^{[ 4 ]} Los resultados coincidieron con el modelo de línea de transmisión, que derivó la densidad de masa efectiva y la compresibilidad. Esta lente de metamaterial también muestra una distancia focal variable a diferentes frecuencias. ^{[ 38 ] [ 39 ]}

Esta lente podría mejorar las técnicas de imagen acústica, ya que la resolución espacial de los métodos convencionales está limitada por la longitud de onda del ultrasonido incidente. Esto se debe a los campos evanescentes que se desvanecen rápidamente y que transportan las características sublongitudinales de los objetos. ^{[ 38 ]}

En 2009 se introdujo un diodo acústico que convierte el sonido a una frecuencia diferente y bloquea el flujo inverso de la frecuencia original. Este dispositivo podría proporcionar mayor flexibilidad para el diseño de fuentes ultrasónicas como las utilizadas en imágenes médicas. La estructura propuesta combina dos componentes: el primero es una lámina de material acústico no lineal, cuya velocidad del sonido varía con la presión del aire. Un ejemplo de dicho material es un conjunto de granos o perlas, que se vuelve más rígido al comprimirse. El segundo componente es un filtro que permite el paso de la frecuencia duplicada, pero refleja la original. ^{[ 40 ] [ 41 ]}

Una capa acústica es un dispositivo hipotético que haría que los objetos fueran impermeables a las ondas sonoras. Esto podría usarse para construir casas insonorizadas , salas de conciertos avanzadas o buques de guerra furtivos. La idea de la capa acústica es simplemente desviar las ondas sonoras alrededor del objeto que se desea ocultar, pero su implementación ha sido difícil debido a la necesidad de metamateriales mecánicos . Crear un metamaterial de este tipo para el sonido implica modificar los análogos acústicos de la permitividad y la permeabilidad en las ondas de luz, que son la densidad de masa del material y su constante elástica. Investigadores de la Universidad de Wuhan , China, en un artículo de 2007 ^{[ 42 ]} informaron sobre un metamaterial que poseía simultáneamente un módulo de compresibilidad y una densidad de masa negativos.

En 2011 se demostró un dispositivo de metamaterial de laboratorio aplicable a ondas ultrasónicas para frecuencias de 40 a 80  kHz. La capa acústica de metamaterial se diseñó para ocultar objetos sumergidos en agua, desviando y retorciendo las ondas sonoras. El mecanismo de ocultación consta de 16 anillos concéntricos en una configuración cilíndrica, cada anillo con circuitos acústicos y un índice de refracción diferente . Esto provoca que las ondas sonoras varíen su velocidad de un anillo a otro. Las ondas sonoras se propagan alrededor del anillo exterior, guiadas por los canales de los circuitos, que las desvían para envolverlas alrededor de las capas exteriores. Este dispositivo se ha descrito como una matriz de cavidades que ralentizan la velocidad de propagación de las ondas sonoras. Se sumergió un cilindro experimental en un tanque y se logró que desapareciera de la detección por sonar. Otros objetos de diversas formas y densidades también se ocultaron del sonar. ^{[ 39 ] [ 43 ] [ 44 ] [ 45 ] [ 46 ]}

Dado que los fonones son responsables de la conducción térmica en los sólidos, los metamateriales acústicos pueden diseñarse para controlar la transferencia de calor. ^{[ 47 ] [ 48 ]}

Investigadores han demostrado un método de computación cuántica utilizando metamateriales acústicos. ^{[ 49 ] [ 50 ] [ 51 ]} Recientemente, se han demostrado operaciones similares a la puerta Controlled-NOT (CNOT), un componente clave en la computación cuántica. ^{[ 50 ]} Al emplear un metamaterial acústico no lineal, que consta de tres guías de onda acopladas elásticamente, el equipo creó análogos de cúbits clásicos llamados phi-bits lógicos. Este enfoque permite operaciones de puerta CNOT escalables, sistemáticas y predecibles mediante una simple manipulación física. Esta innovación resulta prometedora para el campo de la computación cuántica utilizando metamateriales acústicos.