Mondi acustici illusori

Quando ascoltiamo un brano musicale, non percepiamo solo i suoni prodotti dagli strumenti, ma anche un'immagine dell'ambiente in cui ci troviamo. Questo perché le onde sonore vengono riflesse dalle pareti e dagli oggetti che ci circondano, creando un effetto sonoro caratteristico, ovvero un campo acustico specifico. ? per questo che i brani musicali suonano in modo molto diverso in una vecchia chiesa rispetto a un moderno edificio di cemento.

Gli architetti utilizzano questo principio da molto tempo, ad esempio per la costruzione di sale da concerto. Tuttavia, il principio può essere utilizzato anche per altre applicazioni, ad esempio quando si vogliono visualizzare oggetti nascosti nel sottosuolo. Si tratta di misurare il modo in cui le onde sonore vengono riflesse da una sorgente nota.

Manipolazione attiva e passiva

Tuttavia, ci sono anche scienziati che vogliono fare un passo avanti e manipolare il campo acustico per ottenere un effetto che non dovrebbe esistere nella situazione reale. Ad esempio, si cerca di creare un'esperienza sonora illusoria che faccia credere di essere in un edificio di cemento o in una vecchia chiesa. Oppure gli oggetti vengono nascosti manipolando il campo acustico in modo che non esistano più per l'ascoltatore.

Di norma, a questo scopo si utilizzano metodi passivi, in cui l'illusione desiderata viene creata progettando le superfici di conseguenza con l'aiuto dei cosiddetti metamateriali. Se si vuole nascondere acusticamente un oggetto, ad esempio, si riveste la sua superficie in modo che non rifletta più le onde sonore. Tuttavia, questo approccio funziona di solito solo in una gamma di frequenze molto limitata, motivo per cui non è adatto a molte applicazioni.

I metodi attivi cercano di ottenere l'illusione sovrapponendo altre onde sonore. Il campo acustico primario viene così integrato da un segnale secondario. Tuttavia, anche con questo approccio, le possibilità sono limitate, poiché funziona solo se il campo primario è approssimativamente noto in anticipo.

Inganno in tempo reale

Il gruppo di Johan Robertsson, l'ETH di Zurigo, professore di Applied Geophysics, in collaborazione con scienziati dell'Università di Edimburgo, ha ora sviluppato un nuovo approccio che migliora significativamente l'inganno attivo. Sotto la guida di Theodor Becker, postdoc nel gruppo di Robertsson, e di Dirk-Jan van Manen, che ha svolto un ruolo chiave nella progettazione degli esperimenti come assistente in capo, i ricercatori sono riusciti a distorcere il campo sonoro primario in tempo reale, come riportano nell'attuale numero della rivista "Science Advances". Ciò significa che ora possono far scomparire acusticamente gli oggetti o simularne di inesistenti.

Per il progetto, i ricercatori hanno installato un grande impianto di prova presso il Centre for Immersive Wave Experimentation, che si trova nello Zurich Innovation Park di Dübendorf, con il quale possono realizzare gli effetti acustici speciali. In particolare, possono utilizzare questo sistema per nascondere l'esistenza di un oggetto di circa dodici centimetri o per simulare un oggetto immaginario delle stesse dimensioni.

L'oggetto bersaglio è circondato da un anello esterno di microfoni e da un anello interno di altoparlanti. I microfoni registrano quali segnali acustici del campo primario raggiungono l'oggetto dall'esterno. Sulla base di questi dati di misurazione, un computer calcola quali suoni secondari devono essere emessi dagli altoparlanti affinché il campo primario possa essere alienato nel modo desiderato.

Una tecnologia sofisticata

Se l'oggetto deve essere mascherato, gli altoparlanti emettono un segnale che annulla completamente le onde sonore riflesse dall'oggetto. Se invece si vuole nascondere un oggetto, gli altoparlanti integrano il campo acustico primario come se un oggetto riflettesse le onde sonore al centro dei due anelli.

Affinché questa alienazione funzioni, i dati misurati dai microfoni devono essere convertiti molto rapidamente in istruzioni per gli altoparlanti. Per questo motivo, i ricercatori utilizzano per il controllo i cosiddetti field programmable gate array (FPGA), che hanno un tempo di risposta molto breve e quindi reagiscono rapidamente.

"Con il nostro sistema, possiamo manipolare il campo acustico su una gamma di frequenze di oltre tre ottave e mezzo", spiega Robertsson. La frequenza massima è di 8700 Hz quando si maschera e di 5900 Hz quando si finge. Finora i ricercatori sono riusciti a influenzare il campo acustico su una superficie in due dimensioni. Il prossimo passo sarà quello di estendere il processo a tre dimensioni. E vogliono anche estendere il campo di applicazione: Al momento, il sistema aliena le onde sonore trasmesse nell'aria. Ma il nuovo metodo potrebbe essere utilizzato anche per creare effetti di illusione acustica sott'acqua, spiega Robertsson. Egli vede un'ampia gamma di possibili applicazioni, ad esempio nella tecnologia dei sensori e nell'architettura, ma anche nei campi della comunicazione e dell'istruzione.

La nuova tecnologia è interessante anche per le Scienze Terrestri: "In laboratorio, determiniamo le proprietà acustiche dei minerali con l'aiuto di onde ultrasoniche che hanno una frequenza di oltre 100 kHz. Sul campo, invece, analizziamo le strutture del sottosuolo utilizzando onde sismiche con una frequenza inferiore a 100 Hz", spiega Robertsson. "Con il nuovo metodo, possiamo ora superare questa 'zona morta'".

Andrew Curtis, professore di geoscienze matematiche all'Università di Edimburgo (Regno Unito), aggiunge: "Questa collaborazione è iniziata 15 anni fa, quando è stata sviluppata la teoria di base, il che dimostra la natura a lungo termine dei progetti scientifici". Il finanziamento del Consiglio europeo della ricerca, che riunisce gli scienziati europei, è stato fondamentale".