L’incrocio di frequenze ultrasoniche per produrre suoni udibili
All’avanguardia: Immagina di ascoltare musica o un podcast senza cuffie senza disturbare gli altri o di avere una conversazione privata in un luogo affollato avendo la certezza che solo l’ascoltatore intenzionato possa sentire la tua voce. Gli scienziati hanno sviluppato una nuova tecnologia chiamata “enclave audio” che potrebbe rendere questo possibile, creando piccole aree localizzate di suono isolate dal loro ambiente circostante.
Dirigere il suono verso una specifica località è complicato a causa del comportamento delle onde sonore. Man mano che le vibrazioni si muovono attraverso l’aria, tendono a disperdersi, soprattutto alle frequenze più basse. Questo effetto, noto come diffrazione, rende difficile mantenere l’audio confinato in una sola area, particolarmente con toni ricchi di bassi. Isolare le frequenze sonore è ancora più sfidante.
Attrezzature specializzate, come gli altoparlanti a array parametrico, possono dirigere le vibrazioni sonore verso un punto specifico in un fascio concentrato. Tuttavia, coloro che si trovano nel percorso del fascio possono ancora udire la trasmissione. Limitare il suono solamente alla localizzazione target è ancora impossibile con la tecnologia attuale.
Per raggiungere un’isolamento totale del suono, i ricercatori dell’Università della Pennsylvania e del Lawrence Livermore National Laboratory hanno utilizzato gli ultrasuoni e l’acustica non lineare per “piegare” le onde sonore in modo da produrre vibrazioni udibili che si verificano solo in una specifica localizzazione.
A 20kHz e oltre, gli ultrasuoni sono inudibili per gli esseri umani. La maggior parte delle persone conosce il loro uso nell’imaging medico. Tuttavia, si comportano identicamente alle onde sonore udibili. Pertanto, sono suscettibili agli stessi principi e alla manipolazione delle onde come il suono udibile. I ricercatori hanno sfruttato queste proprietà per creare una svolta, soprannominata “enclave audio”, che utilizza gli ultrasuoni come vettore per le frequenze inferiori. Poiché gli ultrasuoni viaggiano “silenziosamente”, possono trasportare i suoni udibili in una località senza che nessuno li senta, eccetto coloro che sono nel punto di destinazione.
I ricercatori hanno utilizzato due fasci di ultrasuoni a frequenze leggermente diverse per fare ciò. Quando i fasci si intersecano, si verifica un fenomeno noto come generazione di frequenza differenziale, creando un suono udibile.
“Quando due fasci ultrasonici di frequenze leggermente diverse, come 40 kHz e 39,5 kHz, si sovrappongono, creano una nuova onda sonora alla differenza tra le loro frequenze – in questo caso, 0,5 kHz o 500 Hz, che è ben all’interno dell’intervallo di udibilità umana,” hanno scritto gli autori dello studio. “Il suono può essere udito solo dove i fasci si incrociano. Al di fuori di quell’intersezione, le onde ultrasoniche rimangono silenziose.”
Un’altra innovazione chiave della ricerca è l’auto-piegatura dei fasci ultrasonici. Utilizzando metasuperfici acustiche, i ricercatori possono controllare il percorso delle vibrazioni ultrasoniche, curvando efficacemente i fasci attorno agli ostacoli e permettendo loro di intersecarsi in un punto specifico.
“Crucialmente, abbiamo progettato fasci ultrasonici che possono piegarsi autonomamente. Normalmente, le onde sonore viaggiano in linee rette a meno che qualcosa non le blocchi o le rifletta. Tuttavia, utilizzando metasuperfici acustiche – materiali specializzati che manipolano le onde sonore – possiamo modellare i fasci ultrasonici per farli piegare mentre viaggiano. Similmente a come una lente ottica piega la luce, le metasuperfici acustiche cambiano la forma del percorso delle onde sonore. Controllando precisamente la fase delle onde ultrasoniche, creiamo percorsi sonori curvi che possono navigare attorno agli ostacoli e incontrarsi in una localizzazione specifica.”
I ricercatori affermano che le enclave audio hanno una vasta gamma di applicazioni. La più ovvia è eliminare la necessità di cuffie in molte situazioni. Ad esempio, i musei potrebbero offrire guide audio personalizzate che seguono i singoli utenti. I passeggeri delle auto potrebbero ascoltare musica senza interferire con le istruzioni di navigazione del conducente. Potrebbe anche fornire ambienti aziendali e militari con un mezzo alternativo di comunicazione sicura.
Gli autori ammettono che, nonostante il suo potenziale, la tecnologia è ancora molto nuova, con molte sfide da superare prima che sia commercialmente praticabile. La distorsione non lineare può influenzare la qualità del suono e la generazione dei campi ad ultrasuoni ad alta intensità richiesti per le enclave audio può essere energivora. I ricercatori stanno lavorando su queste aree per rendere la tecnologia più efficiente e pratica per l’uso nel mondo reale.
Crediti immagine: Jiaxin Zhong et al
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Nicola Costanzo esplora il mondo della tecnologia e dell’innovazione. I suoi articoli illuminano le sfide digitali che plasmano il nostro futuro.