Quando si ascolta la musica, non ascoltiamo solo le note prodotte dagli strumenti, siamo anche immersi nei suoi echi provenienti da ciò che ci circonda. Le onde sonore rimbalzano sui muri e sugli oggetti intorno a noi, formando un caratteristico effetto sonoro, un campo acustico specifico. Questo spiega perché lo stesso brano musicale suona in modo diverso quando viene suonato in una vecchia chiesa o in un moderno edificio in cemento.

Gli architetti hanno a lungo capitalizzato su questo fatto quando costruiscono, dire, sale per concerti. Però, il principio può essere trasferito anche ad altre applicazioni:gli oggetti nascosti nel sottosuolo possono essere visualizzati misurando come vengono riflesse le onde sonore provenienti da una fonte nota.

Manipolazione attiva e passiva

Alcuni scienziati vogliono fare un passo avanti e manipolare sistematicamente il campo acustico per ottenere un effetto che di per sé non dovrebbe esistere, data la situazione reale. Ad esempio, stanno tentando di creare un'esperienza audio illusoria che induca l'ascoltatore a credere di trovarsi in un edificio di cemento o in una vecchia chiesa. In alternativa, gli oggetti possono essere resi invisibili manipolando il campo acustico in modo tale che l'ascoltatore non li percepisca più.

Generalmente, l'illusione desiderata si basa sull'uso di metodi passivi che implicano la strutturazione delle superfici con l'aiuto di quelli che sono noti come metamateriali. Un modo per nascondere acusticamente un oggetto è rivestirne la superficie e impedirgli di riflettere le onde sonore. Però, questo approccio è inflessibile e di solito funziona solo entro un intervallo di frequenza limitato, rendendolo inadatto a molte applicazioni.

I metodi attivi cercano di ottenere l'illusione sovrapponendo un altro strato di onde sonore. In altre parole, aggiungendo un secondo segnale al campo acustico iniziale. Però, fino ad ora anche lo spazio per l'utilizzo di questo approccio è stato limitato, in quanto funziona solo se il campo iniziale può essere previsto con una certa certezza.

Illusione in tempo reale

Ora il gruppo guidato da Johan Robertsson, Professore di Geofisica Applicata all'ETH di Zurigo, ha lavorato con scienziati dell'Università di Edimburgo per sviluppare un nuovo concetto che migliora significativamente l'illusione attiva. Guidati da Theodor Becker, un postdoc nel gruppo di Robertsson, e Dirk-Jan van Manen, lo scienziato senior che è stato determinante nella progettazione degli esperimenti, i ricercatori sono riusciti ad aumentare il campo iniziale in tempo reale, come riportano nell'ultimo numero della rivista Progressi scientifici . Di conseguenza, possono far scomparire oggetti e possono imitare quelli inesistenti.

Per ottenere gli effetti acustici speciali, i ricercatori hanno installato una grande struttura di prova per il progetto nel Center for Immersive Wave Experimentation presso lo Switzerland Innovation Park Zurich a Dübendorf. Nello specifico, questa funzione consente loro di mascherare l'esistenza di un oggetto che misura circa 12 centimetri o simulare un oggetto immaginario di uguali dimensioni.

L'oggetto target è racchiuso in un anello esterno di microfoni come sensori di controllo e un anello interno di altoparlanti come fonti di controllo. I sensori di controllo registrano quali segnali acustici esterni raggiungono l'oggetto dal campo iniziale. Sulla base di queste misurazioni, un computer calcola quindi quali suoni secondari devono produrre le sorgenti di controllo per ottenere l'aumento desiderato del campo iniziale.

Tecnologia sofisticata

Per mascherare l'oggetto, le sorgenti di controllo emettono un segnale che cancella completamente le onde sonore riflesse dall'oggetto. Al contrario, simulare un oggetto (noto anche come olografia), le sorgenti di controllo aumentano il campo acustico iniziale come se le onde sonore rimbalzassero su un oggetto al centro dei due anelli.

Perché questo aumento funzioni, i dati misurati dai sensori di controllo devono essere trasformati istantaneamente in istruzioni per le sorgenti di controllo. Per controllare il sistema, i ricercatori utilizzano quindi array di porte programmabili sul campo (FPGA) con un tempo di risposta estremamente breve.

"La nostra struttura ci consente di manipolare il campo acustico su una gamma di frequenze di oltre tre ottave e mezzo, " dice Robertsson. La frequenza massima per l'occultamento è 8, 700 Hz e 5, 900 Hz per la simulazione. Ad oggi, i ricercatori sono stati in grado di manipolare il campo acustico su una superficie in due dimensioni. Come passo successivo, vogliono aumentare il processo a tre dimensioni ed estenderne la gamma funzionale. Il sistema attualmente aumenta le onde sonore nell'aria. Però, Robertsson spiega, il nuovo processo potrebbe anche produrre illusioni acustiche sott'acqua. Prevede una vasta gamma di potenziali usi in diversi campi, come la tecnologia dei sensori, architettura e comunicazione, anche nel settore dell'istruzione.

La nuova tecnologia è molto rilevante anche per le scienze della terra. "In un laboratorio, utilizziamo onde ultrasoniche con una frequenza superiore a 100 kHz per determinare le proprietà acustiche dei minerali. In contrasto, nel campo, studiamo strutture sotterranee con onde sismiche a frequenza inferiore a 100 Hz, " dice Robertsson. "Il nuovo processo ci consentirà di contribuire a colmare questa 'zona morta'".