Imaging acustico con rilevamento dei contorni
Gli scienziati dell'ETH di Zurigo hanno sviluppato un nuovo metodo per distinguere le onde sonore molto deboli e corte da quelle più lunghe. L'uso di questa tecnologia nell'imaging acustico permette di riconoscere in modo specifico solo i contorni degli oggetti.
Il suono riflesso può essere utilizzato per visualizzare gli oggetti: Nel settore navale, l'ecoscandaglio fornisce informazioni sul fondale marino o sui banchi di pesci, mentre i ginecologi utilizzano le immagini a ultrasuoni per esaminare i bambini non ancora nati nel grembo materno. Gli ultrasuoni sono utilizzati anche nelle procedure di prova dei materiali, con cui vengono regolarmente esaminati i binari ferroviari o gli elementi portanti degli aerei per verificare la presenza di crepe.
I ricercatori dell'ETH di Zurigo hanno sviluppato un nuovo tipo di imaging acustico, che non riproduce in modo fotorealistico un intero oggetto, ma solo i suoi contorni e bordi. "Il risultato di questo tipo di misurazione è paragonabile all'effetto ottenuto con il filtro di rilevamento dei bordi dei software di elaborazione delle immagini: Con un semplice clic del mouse, è possibile riconoscere i contorni di oggetti caratteristici nelle foto", spiega Chiara Daraio, professoressa di meccanica e materiali. Tuttavia, il suo metodo non si basa su un software, ma filtra le informazioni sui contorni durante la misurazione acustica.
Per comprendere il principio di funzionamento del filtro acustico di rilevamento dei bordi, è necessario sapere che le onde sonore vengono riflesse in modo straordinario sui bordi: Si creano le cosiddette onde evanescenti. Queste hanno una lunghezza d'onda significativamente inferiore rispetto alle onde sonore incidenti che le hanno generate. Inoltre, le onde evanescenti decadono rapidamente durante la loro propagazione. Possono quindi essere misurate solo in prossimità di questi bordi. I metodi per misurare queste onde esistevano già. Tuttavia, i ricercatori dell'ETH sono riusciti ad amplificare le onde evanescenti con un nuovo metodo e a distinguerle dal "normale" suono riflesso a onde più lunghe.
Struttura di risonanza dalla stampante 3D
Il fulcro del metodo è una nuova struttura polimerica che Miguel Molerón, postdoc nel gruppo di Daraio, ha sviluppato e prodotto con una stampante 3D. Si tratta di un tubo a sezione quadrata. Al suo interno è suddiviso in cinque camere di risonanza adiacenti. Piccole finestre collegano le camere tra loro. "Questa struttura amplifica le onde evanescenti per risonanza. La struttura a camere regolari filtra le onde più lunghe", spiega Molerón. All'estremità della struttura, quattro microfoni misurano il suono trasmesso.
Per creare un'immagine di contorno di un oggetto, gli scienziati hanno utilizzato un altoparlante per far suonare l'oggetto con un tono di una certa frequenza. Su un robot, hanno fissato la struttura polimerica con i microfoni molto vicino alla superficie dell'oggetto. In questo modo hanno scansionato sistematicamente l'intera superficie. Sono stati in grado di generare l'immagine del contorno dalle informazioni sonore misurate.
Riconoscere rapidamente ciò che è rilevante
Secondo gli scienziati, il nuovo metodo di misurazione offre vantaggi laddove l'obiettivo non è quello di ottenere un'immagine perfetta di un oggetto, ma dove le informazioni rilevanti dell'oggetto devono essere catturate il più rapidamente possibile. "Abbiamo creato un metodo di imaging acustico in cui le informazioni non necessarie non vengono catturate", afferma l'ETH professor Daraio. "Ad esempio, i contorni e i bordi sono sufficienti per classificare gli oggetti in base alla loro forma e dimensione. Lo stesso vale per il riconoscimento di crepe o difetti superficiali del materiale", aggiunge il postdoc Molerón.
Il lavoro dei ricercatori dell'ETH è uno studio di fattibilità. ? necessario un ulteriore sviluppo per renderlo pronto per l'applicazione. Per lo studio, gli scienziati hanno utilizzato suoni nella gamma udibile. Tuttavia, sarebbe interessante adattare il metodo anche alla gamma degli ultrasuoni a onde più corte. "Poiché le dimensioni della struttura polimerica devono corrispondere alla lunghezza d'onda, dobbiamo miniaturizzare la struttura. Ora vogliamo scoprire fino a che punto possiamo spingerci", afferma Molerón. Il suo obiettivo è migliorare l'imaging acustico, per potenziali applicazioni nella ricerca biologica o in medicina.
Letteratura di riferimento
Molerón M, Daraio C: Metamateriale acustico per il rilevamento dei bordi a lunghezza subwavelength. Nature Communications, 25 agosto 2015, doi: pagina esterna10.1038/ncomms9037