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Mantello acustico progettato
Cittadini, state tranquilli. Gli ingegneri hanno progettato un materiale che reindirizza i suoni e potrebbe essere utilizzato negli edifici per proteggerli dai rumori. Il materiale fonoassorbente, che, se effettivamente realizzato, sarebbe il primo dispositivo di occultamento acustico, potrebbe essere utile anche per nascondere navi militari e altri vascelli dal sonar.
Scudo acustico: Un mantello acustico composto da strati alternati di materiali che diffondono il suono dovrebbe rendere gli oggetti invisibili al sonar e isolati dal suono. In questa immagine generata al computer, un cilindro (cerchio verde) è rivestito con 200 strati di tale materiale, che è risultato essere il design ottimale. Le onde sonore che si muovono da sinistra a destra (i loro picchi e avvallamenti sono rappresentati da linee rosse e blu) fluiscono oltre l'oggetto e si riformano dall'altra parte senza distorsioni.
I materiali di copertura acustica, che dirigono le onde sonore attorno a un oggetto in modo che si riformino dall'altra parte senza distorsioni, non esistono in natura. Ma gli ingegneri guidati da José Sánchez-Dehesa presso l'Università Politecnica di Valencia, in Spagna, hanno ideato un progetto per realizzarli, utilizzando strati alternati di due materiali diversi. Questi materiali comprenderebbero matrici di cristalli sonori, modelli di piccole bacchette in alluminio o altri materiali che consentono ad alcune onde sonore di passare mentre bloccano il passaggio di altre.
Il design dei materiali di rivestimento, pubblicato nel Nuovo Giornale di Fisica , dimostra che la realizzazione di uno schermo acustico può essere eseguita in modo semplice e diretto, afferma Steven Cummer , un ingegnere elettrico della Duke University che è stato coinvolto nella costruzione del primo mantello leggero nel 2006.
Basandosi sul lavoro teorico di John Pendry all'Imperial College di Londra, un gruppo della Duke University guidato da David R. Smith e includendo Cummer ha creato uno scudo che rende gli oggetti invisibili a una particolare frequenza della luce a microonde. Hanno usato metamateriali, compositi strutturati artificialmente progettati per avere proprietà ineguagliate dai materiali naturali. Per circa 10 anni, gli ingegneri hanno progettato metamateriali per manipolare la luce nella speranza di creare nuove tecnologie di visualizzazione, lenti per microscopi e chip per computer densi di transistor. La nuova ricetta del mantello acustico si basa sul recente lavoro teorico di Cummer sui materiali acustici e mostra che i metamateriali possono essere utilizzati per manipolare le onde sonore e le onde luminose. Cummer, che non era coinvolto nel lavoro di Sánchez-Dehesa, afferma che ora dovrebbe essere possibile fabbricare un mantello acustico.
Affinché un materiale funzioni come un mantello acustico, la velocità del suono che lo attraversa deve dipendere dalla direzione. Cioè, le onde sonore che viaggiano attraverso il materiale di schermatura da una direzione devono muoversi a una velocità diversa rispetto alle onde che viaggiano in una direzione perpendicolare. Queste differenze creano effetti di dispersione che dovrebbero dirigere le onde sonore a fluire su un oggetto schermato come l'acqua che scorre intorno a una roccia. Poiché le onde ritornano alla loro conformazione originale dopo aver superato un oggetto così schermato, l'oggetto diventa effettivamente invisibile al sonar. E un ascoltatore all'interno di un tale scudo non sentirebbe i suoni che fluiscono intorno.
Sánchez-Dehesa ha modellato un mantello acustico bidimensionale, ma afferma che estrapolare il suo lavoro in tre dimensioni dovrebbe essere semplice. Proponiamo un mantello per qualsiasi forma, dice. Nascondere le navi da guerra dal sonar è una possibile applicazione. Ma Sánchez-Dehesa è interessata al problema del rumore in generale. In linea di massima, dice, è possibile realizzare questo mantello molto sottile, dell'ordine dei centimetri. Se riuscissimo a progettare un muro da inserire in una casa per schermare il rumore esterno, sarebbe molto carino. Cummer immagina colonne per sale da concerto che svolgono lavori strutturali ma, acusticamente, di fatto non ci sono.
A differenza dei mantelli leggeri, che possono schermare oggetti dalla luce di una sola frequenza, i mantelli acustici dovrebbero essere in grado di schermare un oggetto a un'ampia gamma di frequenze. Secondo la teoria della relatività speciale di Einstein, gli schermi luminosi possono funzionare solo a una lunghezza d'onda. Quando un'onda si muove attorno a un materiale [di occultamento], deve andare più veloce di quanto non faccia nell'aria, spiega Cummer. Secondo le leggi della fisica, non è possibile farlo a più di una frequenza alla volta. La velocità del suono, tuttavia, non è una costante universale, quindi dovrebbe essere possibile creare mantelli acustici a banda larga.
Secondo il progetto di Sánchez-Dehesa, gli spessori degli strati alternati che compongono lo scudo acustico devono essere controllati molto attentamente. Cummer afferma che questo rappresenterà una sfida ingegneristica, ma non insormontabile. In effetti, afferma Cummer, il design per uno scudo acustico sta dando ai materiali acustici ingegnerizzati una grande spinta in avanti.