Un «buco nero acustico» stampato in 3D riduce gli echi nei tubi

Un dispositivo stampabile in 3D può ridurre gli echi nei tubi senza dover essere costruito insieme al condotto. È un «buco nero acustico» modulare, progettato per assorbire gran parte dell’energia sonora che altrimenti rimbalzerebbe al suo interno. Il nuovo modello, sviluppato da un gruppo di ricercatori in Spagna, potrebbe semplificare il controllo del rumore negli impianti di ventilazione, nei condizionatori, negli scarichi industriali e nelle tubature.

Come funziona un buco nero acustico

Il principio si capisce immaginando di gridare in un tubo chiuso a un’estremità: dopo un intervallo determinato dalla sua lunghezza, si sente tornare l’eco. Se invece all’estremità si trova un buco nero acustico, il suono riflesso si riduce drasticamente. «Dal punto di vista acustico, sarebbe quasi come se il tubo fosse infinitamente lungo, senza un’estremità da cui il suono possa riflettersi e tornare verso di voi», ha spiegato a ScienceAlert Oriol Guasch, ingegnere acustico della La Salle, Universitat Ramon Llull.

Il nome richiama i buchi neri astrofisici, regioni dello spazio così dense da deformare lo spaziotempo e creare un orizzonte dal quale nemmeno la luce può sfuggire. In questo caso, però, non si tratta di riprodurre in laboratorio la gravità: il dispositivo si ispira alla capacità di un buco nero di trattenere ciò che vi entra. Sfrutta una proprietà delle onde sonore, che in determinate condizioni possono rallentare progressivamente, fino a non raggiungere di fatto la fine del loro percorso.

Il fenomeno ricorda il paradosso della dicotomia formulato dal filosofo greco Zenone: per arrivare a una meta, un viaggiatore dovrebbe percorrere prima metà della distanza, poi metà di quella rimasta e così via, senza apparentemente raggiungerla mai. Nel dispositivo, tuttavia, il rallentamento dell’onda è reale. «Ciò che accade all’onda quando si avvicina all’estremità di un buco nero acustico ricorda in qualche modo 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».

Una struttura modulare da inserire nei condotti

Il dispositivo non è un buco, ma una struttura studiata per modificare la propagazione del suono. Nei modelli tradizionali, anelli e cavità rivestono l’interno del tubo e rallentano gradualmente le onde: la loro lunghezza d’onda si accorcia e l’energia si concentra. Queste strutture, però, devono essere integrate nel condotto durante la fabbricazione, rendendo difficile installarle negli impianti già esistenti. Inoltre, l’effetto funziona soltanto entro un intervallo limitato di frequenze.

Il gruppo, guidato nello studio dall’ingegnere Jie Deng della La Salle, Universitat Ramon Llull, ha cercato di superare entrambi i limiti capovolgendo la geometria tradizionale: invece di un imbuto, una sorta di albero di Natale acustico. «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 modello 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 alterano il percorso 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 molto minore di suono prosegue all’esterno sotto forma di eco.

Il prototipo stampato in 3D

Per verificare il funzionamento, i ricercatori hanno realizzato un prototipo stampato in 3D, lungo 15 centimetri e composto da 29 anelli su un’asta centrale. Lo hanno inserito in un tubo a impedenza, un apparato di laboratorio usato per misurare come le onde sonore reagiscono quando incontrano un materiale o una struttura. Al posto di gridare nel tubo, hanno inviato suoni a frequenze diverse con un altoparlante e misurato con dei microfoni quante onde tornassero indietro.

I risultati sono stati promettenti: la quantità di suono riflessa era nel complesso in linea con le simulazioni al computer, anche se gli echi non venivano eliminati del tutto. Le simulazioni hanno inoltre confrontato il modello a innesto con quello tradizionale e indicato possibili vantaggi che vanno oltre la facilità di installazione.

«L’altro importante vantaggio è che l’intervallo di frequenze entro cui il dispositivo si comporta come un buco nero acustico è considerevolmente più ampio rispetto alla configurazione tradizionale», ha spiegato Guasch. Su un ampio spettro di frequenze, il nuovo modello rifletteva meno suono. La ragione, secondo i ricercatori, è legata alle risonanze delle cavità tra gli anelli: nel dispositivo a innesto si verificano a frequenze più alte, permettendo all’effetto di operare su un intervallo più esteso.

Applicazioni e limiti del dispositivo

Le applicazioni più immediate riguardano il controllo del rumore nei condotti e nei silenziatori, dove le riflessioni sonore possono creare problemi. Il gruppo sta anche valutando buchi neri acustici in due e tre dimensioni, con possibili impieghi nell’acustica degli ambienti.

Prima di poter usare questi dispositivi sul campo restano però alcune difficoltà. Le cavità potrebbero essere ostruite da particelle e il funzionamento potrebbe risentire della temperatura, della pressione e del flusso d’aria. Guasch si dice comunque entusiasta delle possibilità offerte da questo approccio. «Personalmente, ciò che trovo più stimolante è la fisica e la matematica che stanno alla base di tutto questo, e il modo in cui riunisce ambiti del sapere che a prima vista possono sembrare del tutto scollegati», ha dichiarato a ScienceAlert. «E, naturalmente, il tipo di controllo delle onde che oggi è possibile ottenere sarebbe probabilmente sembrato quasi fantascienza fino a pochi anni fa».

Lo studio è stato pubblicato sulla rivista Applied Acoustics.