Buchi neri acustici: un inserto stampato in 3D riduce gli echi nei tubi

Un dispositivo acustico stampato in 3D, lungo 15 centimetri e composto da 29 anelli, può ridurre il suono che rimbalza all’interno di un tubo. Il prototipo non elimina del tutto gli echi, ma le misure di laboratorio sono risultate nel complesso in linea con le simulazioni. Secondo i modelli al computer, inoltre, questa nuova configurazione potrebbe attenuare il rumore su un intervallo di frequenze più ampio rispetto ai «buchi neri acustici» tradizionali.

La ricerca, guidata dall’ingegnere Jie Deng insieme a Oriol Guasch e ad altri colleghi dell’Universitat Ramon Llull, in Spagna, è stata pubblicata sulla rivista Applied Acoustics. Il dispositivo è pensato per essere inserito in condotti già esistenti, per esempio quelli degli impianti di ventilazione e condizionamento, degli scarichi industriali o degli impianti idraulici. In questi spazi chiusi, il suono può riflettersi contro ostacoli, cambi di forma o estremità chiuse, generando echi indesiderati.

«Immaginate di trovarvi davanti a un condotto chiuso all’estremità opposta e di gridarci dentro. Dopo un breve intervallo, che dipende dalla lunghezza del condotto, sentireste tornare l’eco proveniente dall’estremità», ha spiegato a ScienceAlert Guasch. Se invece il condotto terminasse con un buco nero acustico, ha aggiunto, «sarebbe quasi come se il tubo fosse infinitamente lungo», perché il suono riflesso tornerebbe molto attenuato.

Il nome richiama i buchi neri astrofisici, regioni dello spazio così dense che la loro gravità deforma lo spaziotempo e crea un orizzonte oltre il quale nemmeno la luce può sfuggire. Il dispositivo, però, non riproduce la gravità: si ispira soltanto a un aspetto del comportamento di questi oggetti. In condizioni particolari, infatti, le onde sonore possono rallentare progressivamente mentre avanzano, fino a impiegare un tempo teoricamente infinito per raggiungere il limite della struttura, come nel dichotomy paradox.

«Ciò che accade all’onda quando si avvicina all’estremità di un buco nero acustico ricorda in parte quello che un osservatore esterno vede nei pressi di un buco nero astrofisico: sembra che l’onda impieghi un tempo infinito per raggiungere il punto limite», ha detto Guasch. «Nel caso ideale, una volta entrata nel buco nero acustico, l’onda non ne esce più».

Un buco nero acustico non è un’apertura vuota, ma una struttura progettata per modificare la propagazione del suono. Nei modelli tradizionali, anelli e cavità sono disposti lungo la parete interna del tubo e rallentano gradualmente le onde: la loro lunghezza d’onda si accorcia e l’energia si concentra. Questa soluzione, tuttavia, deve essere integrata nel condotto durante la fabbricazione, rendendo difficile installarla negli impianti già in uso. Inoltre, l’effetto funziona soltanto entro un intervallo limitato di frequenze.

Deng, Guasch e i colleghi hanno provato a capovolgere la geometria, immaginandola come un albero di Natale anziché come un imbuto. «Il concetto è sorprendentemente semplice e funziona molto bene», ha detto Guasch. «Dal punto di vista pratico, il buco nero acustico può essere fabbricato indipendentemente dal condotto e poi semplicemente inserito al suo interno».

Il prototipo è formato da anelli montati su un’asta centrale, con diametri che cambiano gradualmente lungo la struttura. Gli spazi tra gli anelli creano cavità che influenzano il passaggio del suono. Quando le onde entrano dalla punta, rallentano e si accorciano, mentre la loro energia si concentra verso l’estremità opposta. Qui una parte consistente dell’energia si dissipa per l’attrito e per lo scambio di calore tra l’aria e le superfici del dispositivo; di conseguenza, una quantità minore di suono viene riflessa e torna indietro.

Per verificare il funzionamento, i ricercatori hanno stampato in 3D una struttura lunga 15 centimetri, con 29 anelli, e l’hanno inserita in un tubo a impedenza, un apparato di laboratorio usato per misurare come le onde sonore interagiscono con materiali e strutture. Un altoparlante ha inviato suoni a diverse frequenze nel tubo, mentre alcuni microfoni hanno misurato quanta parte veniva riflessa. La riflessione osservata corrispondeva nel complesso a quella prevista dalle simulazioni al computer, ma gli echi non sono scomparsi del tutto. Il tubo a impedenza, o impedance tube, è uno strumento usato per caratterizzare le proprietà acustiche di materiali e strutture.

Il gruppo ha poi confrontato tramite simulazioni il modello a inserto con quello tradizionale. I risultati indicano che la nuova geometria potrebbe funzionare su un intervallo di frequenze più ampio e riflettere meno suono in una vasta gamma di frequenze. Nei dispositivi tradizionali, le cavità tra gli anelli entrano in risonanza a determinate frequenze, modificando l’assorbimento; nel modello a inserto, queste risonanze si verificano a frequenze più alte, ampliando l’intervallo in cui si manifesta l’effetto acustico.

Le applicazioni più immediate riguardano il controllo del rumore nei condotti e nei silenziatori, dove le riflessioni possono essere problematiche. I ricercatori stanno anche valutando strutture in due e tre dimensioni, che potrebbero trovare impiego nell’acustica degli ambienti.

Prima di poter usare questi dispositivi sul campo, restano però diversi ostacoli: le cavità potrebbero essere ostruite da particelle e il funzionamento potrebbe risentire della temperatura, della pressione e del flusso d’aria. Guasch ha detto a ScienceAlert che a entusiasmarlo sono «la fisica e la matematica che stanno alla base di tutto questo, e il modo in cui riuniscono ambiti del sapere che a prima vista possono sembrare del tutto scollegati». Ha aggiunto che «il tipo di controllo delle onde che oggi è possibile ottenere sarebbe probabilmente sembrato quasi fantascienza fino a pochi anni fa».

Fonte: sciencealert.com