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© Jamani Caillet / 2018 EPFL © Jamani Caillet / 2018 EPFL
Investigadores de la Escuela Politécnica Federal de Lausana en Suiza han conseguido un material opaco que es perfectamente transparente para las ondas acústicas.
Gracias a relés acústicos situados en lugares estratégicos, el sonido puede propagarse a una amplitud constante a pesar de los obstáculos encontrados en su camino, como si estos obstáculos fueran imperceptibles para las ondas acústicas.
Los investigadores explican que la mayoría de los materiales naturales poseen una estructura atómica desordenada que perturba la propagación de las ondas. Cuando las ondas, ya sean acústicas o electromagnéticas, rebotan y se dispersan, su energía se disipa de acuerdo a un patrón de interferencia extremadamente complejo, y pierde intensidad.
Debido a este fenómeno, es prácticamente imposible transmitir datos o energía intactos a través de los medios de dispersión de onda y aprovechar al máximo el potencial de la tecnología de onda.
Por ejemplo, los sistemas de localización de los smartphones funcionan mal dentro de los edificios porque las ondas de radiofrecuencia rebotan en todas las direcciones al chocar con las paredes.
También en el caso de las técnicas de imágenes biomédicas o de prospección geofísica, se necesitan soluciones prácticas para transmitir ondas a través de materiales con estructura atómica desordenada.
Ondas acústicas, primer paso
Para resolver esta dificultad, los investigadores suizos han conseguido que las ondas acústicas atraviesen sistemas atómicos desordenados y salgan intactas de esta travesía de obstáculos.
Se han valido de pequeños altavoces utilizados como relés acústicos que compensan la dispersión de onda y han comprobado experimentalmente que su idea funciona en un sistema acústico real. Los resultados se publican en Nature Physics.
La dificultad no resuelta hasta ahora se supera porque los altavoces usados como relés acústicos (dispositivos de señalización acústica, con funcionamiento eléctrico) se pueden controlar para amplificar, atenuar o cambiar las fases de las ondas de sonido.
Eso les permite compensar la dispersión que se produce cuando las olas golpean los obstáculos, y por lo tanto reproducir exactamente el sonido original al otro lado del medio desordenado, una vez superado el obstáculo.
¿Cómo funciona? "Nos dimos cuenta de que nuestros relés acústicos tenían que poder cambiar las amplitudes y fases de las ondas en lugares estratégicos, ya sea para ampliarlos o atenuarlos", explica Romain Fleury, coautor del estudio, en un comunicado.
Los investigadores probaron su sistema construyendo un tubo de 3,5 metros de largo lleno de aire que contenía varios tipos de obstáculos, como paredes, materiales porosos y chicanes (dispositivos callejeros para reducir la velocidad de circulación mediante curvas artificiales).
De esta forma, crearon un medio altamente desordenado a través del cual no podrían pasar las ondas de sonido sin perder intensidad. Luego colocaron sus pequeños altavoces entre los obstáculos y establecieron controles electrónicos para ajustar las propiedades acústicas de los altavoces.
Gracias a relés acústicos situados en lugares estratégicos, el sonido puede propagarse a una amplitud constante a pesar de los obstáculos encontrados en su camino, como si estos obstáculos fueran imperceptibles para las ondas acústicas.
Los investigadores explican que la mayoría de los materiales naturales poseen una estructura atómica desordenada que perturba la propagación de las ondas. Cuando las ondas, ya sean acústicas o electromagnéticas, rebotan y se dispersan, su energía se disipa de acuerdo a un patrón de interferencia extremadamente complejo, y pierde intensidad.
Debido a este fenómeno, es prácticamente imposible transmitir datos o energía intactos a través de los medios de dispersión de onda y aprovechar al máximo el potencial de la tecnología de onda.
Por ejemplo, los sistemas de localización de los smartphones funcionan mal dentro de los edificios porque las ondas de radiofrecuencia rebotan en todas las direcciones al chocar con las paredes.
También en el caso de las técnicas de imágenes biomédicas o de prospección geofísica, se necesitan soluciones prácticas para transmitir ondas a través de materiales con estructura atómica desordenada.
Ondas acústicas, primer paso
Para resolver esta dificultad, los investigadores suizos han conseguido que las ondas acústicas atraviesen sistemas atómicos desordenados y salgan intactas de esta travesía de obstáculos.
Se han valido de pequeños altavoces utilizados como relés acústicos que compensan la dispersión de onda y han comprobado experimentalmente que su idea funciona en un sistema acústico real. Los resultados se publican en Nature Physics.
La dificultad no resuelta hasta ahora se supera porque los altavoces usados como relés acústicos (dispositivos de señalización acústica, con funcionamiento eléctrico) se pueden controlar para amplificar, atenuar o cambiar las fases de las ondas de sonido.
Eso les permite compensar la dispersión que se produce cuando las olas golpean los obstáculos, y por lo tanto reproducir exactamente el sonido original al otro lado del medio desordenado, una vez superado el obstáculo.
¿Cómo funciona? "Nos dimos cuenta de que nuestros relés acústicos tenían que poder cambiar las amplitudes y fases de las ondas en lugares estratégicos, ya sea para ampliarlos o atenuarlos", explica Romain Fleury, coautor del estudio, en un comunicado.
Los investigadores probaron su sistema construyendo un tubo de 3,5 metros de largo lleno de aire que contenía varios tipos de obstáculos, como paredes, materiales porosos y chicanes (dispositivos callejeros para reducir la velocidad de circulación mediante curvas artificiales).
De esta forma, crearon un medio altamente desordenado a través del cual no podrían pasar las ondas de sonido sin perder intensidad. Luego colocaron sus pequeños altavoces entre los obstáculos y establecieron controles electrónicos para ajustar las propiedades acústicas de los altavoces.
También objetos invisibles
"Hemos estado trabajando en el uso de altavoces controlados como absorbentes de sonido activos durante años, por lo que tenía sentido usarlos también para esta nueva aplicación", explica Hervé Lissek, también co-autor del estudio.
"Hasta ahora, solo necesitábamos atenuar las ondas de sonido. Pero aquí tuvimos que desarrollar un nuevo mecanismo de control para que pudiéramos amplificarlos, como ya hemos hecho para amplificar las ondas ópticas con láser", añade Etienne Rivet, tercer coautor.
El nuevo método, el único en su tipo en acústica, utiliza circuitos programables para controlar varios altavoces simultáneamente y en tiempo real.
El método de los investigadores para el control acústico activo es similar al utilizado en los auriculares con cancelación de ruido y podría ser utilizado para sonidos que contienen frecuencias ambientales comunes.
También podría usarse para eliminar las ondas que rebotan en objetos como los submarinos, lo que los haría indetectables mediante el sonar. Además, la teoría que subyace a su trabajo es universal y podría tener aplicaciones paralelas en óptica o radiofrecuencias, para hacer que los objetos sean invisibles o para tomar imágenes a través de materiales opacos.
"Hemos estado trabajando en el uso de altavoces controlados como absorbentes de sonido activos durante años, por lo que tenía sentido usarlos también para esta nueva aplicación", explica Hervé Lissek, también co-autor del estudio.
"Hasta ahora, solo necesitábamos atenuar las ondas de sonido. Pero aquí tuvimos que desarrollar un nuevo mecanismo de control para que pudiéramos amplificarlos, como ya hemos hecho para amplificar las ondas ópticas con láser", añade Etienne Rivet, tercer coautor.
El nuevo método, el único en su tipo en acústica, utiliza circuitos programables para controlar varios altavoces simultáneamente y en tiempo real.
El método de los investigadores para el control acústico activo es similar al utilizado en los auriculares con cancelación de ruido y podría ser utilizado para sonidos que contienen frecuencias ambientales comunes.
También podría usarse para eliminar las ondas que rebotan en objetos como los submarinos, lo que los haría indetectables mediante el sonar. Además, la teoría que subyace a su trabajo es universal y podría tener aplicaciones paralelas en óptica o radiofrecuencias, para hacer que los objetos sean invisibles o para tomar imágenes a través de materiales opacos.
Referencias
Constant-pressure sound waves in non-Hermitian disordered media. E. Rivet, A. Brandstötter, K. G. Makris, H. Lissek, S. Rotter and R. Fleury. Nature Physics. DOI: 10.1038/s41567-018-0188-7
Wave propagation through disordered media without backscattering and intensity variations. K. G. Makris, A. Brandstötter, P. Ambichl, Z. H. Musslimani, and S. Rotter. Light Sci. Appl. 6, e17035 (2017).
Room modal equalisation with electroacoustic absorbers, E. Rivet, EPFL Ph.D. thesis No. 7166, (2016).
Constant-pressure sound waves in non-Hermitian disordered media. E. Rivet, A. Brandstötter, K. G. Makris, H. Lissek, S. Rotter and R. Fleury. Nature Physics. DOI: 10.1038/s41567-018-0188-7
Wave propagation through disordered media without backscattering and intensity variations. K. G. Makris, A. Brandstötter, P. Ambichl, Z. H. Musslimani, and S. Rotter. Light Sci. Appl. 6, e17035 (2017).
Room modal equalisation with electroacoustic absorbers, E. Rivet, EPFL Ph.D. thesis No. 7166, (2016).
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