Superando los desafíos de realizar un conmutador de fuente acústica de alto rendimiento, el Prof. Garuda Fujii de la Universidad de Shinshu en Japón ha desarrollado una estructura flexible para camuflar ubicaciones. (a) Un cambiador de fuente de sonido óptimo hecho de acrilonitrilo butadieno estireno, (b) La presión de sonido alrededor del cambiador de fuente, y (c) La diferencia entre el campo de presión emitido y el campo ideal que se minimiza fuera del cambiador de fuente. Fuente: Garuda Fujii de la Universidad Shinshu
El campo de la óptica de transformación ha florecido durante la última década, permitiendo a los científicos diseñar estructuras basadas en metamateriales que dan forma y dirigen el flujo de luz. Uno de los inventos más deslumbrantes potencialmente desbloqueables con Transform Optics es la capa de invisibilidad, un tejido teórico que desvía la luz entrante lejos del usuario, haciéndolo invisible. Curiosamente, tales ilusiones no se limitan a la manipulación de la luz.
Muchas de las técnicas utilizadas en la óptica de transformación se han aplicado a las ondas sonoras, dando lugar a un campo paralelo de acústica de transformación. De hecho, los científicos ya han logrado avances significativos al desarrollar una ‘capa acústica’, el equivalente a una capa de invisibilidad para los sonidos. Si bien la investigación de la ilusión acústica se ha centrado en el concepto de enmascarar la presencia de un objeto, se ha logrado poco en términos de camuflaje de ubicación.
El concepto de un cambiador de fuente acústica utiliza una estructura que hace que la ubicación de una fuente de sonido parezca diferente de su ubicación real. Dichos dispositivos capaces de “camuflar ubicación acústica” podrían encontrar aplicaciones en holografía avanzada y realidad virtual. Desafortunadamente, la naturaleza del camuflaje de la ubicación apenas se exploró, y el desarrollo de materiales y superficies disponibles que proporcionaran un rendimiento decente resultó ser un desafío.
En este contexto, el profesor Garuda Fujii, afiliado al Instituto de Ingeniería y Energía del Banco de Cerebros de Arquitectura Paisajista (ELab2) en la Universidad de Shinshu en Japón ha logrado avances en el desarrollo de cambiadores de fuente de alta eficiencia. En un estudio reciente publicado en Registro de sonido y vibraciones.profe. Fujii ha presentado un enfoque innovador para diseñar estructuras de cambio de fuente a partir de acrilonitrilo butadieno estireno (ABS), un polímero flexible que se usa comúnmente en la impresión 3D.
El enfoque del prof. Fujii se centra en un concepto central: el diseño inverso basado en la optimización de la topología. El enfoque numérico se basa en reproducir los campos de presión (sonido) emitidos por una fuente virtual, es decir, una fuente que los oyentes cercanos creerían erróneamente que es real.
Los campos de presión emitidos por la fuente real se manipulan para camuflar la ubicación y hacer que suene como si viniera de algún otro lugar del espacio. Esto se puede lograr diseñando de manera óptima una metaestructura que, gracias a su geometría y propiedades elásticas, minimice la diferencia entre los campos de presión emitidos por fuentes reales y virtuales.
Utilizando este enfoque, el Prof. Fujii implementó un algoritmo iterativo para determinar numéricamente el diseño óptimo de los cambiadores de fuente de resina ABS de acuerdo con varios criterios de diseño. Sus modelos y simulaciones debían tener en cuenta las interacciones acústico-elásticas entre fluidos (aire) y estructuras elásticas sólidas, así como los límites reales de la tecnología de fabricación moderna.
Los resultados de la simulación revelaron que las estructuras optimizadas podían reducir la diferencia entre los campos de presión emitidos por una fuente enmascarada y una fuente desnuda en una ubicación virtual a tan solo un 0,6 %. “Las configuraciones óptimas de la estructura obtenidas mediante la optimización de la topología mostraron buenos resultados para camuflar la verdadera ubicación de la fuente, a pesar de la composición simple de ABS que no contenía metamateriales acústicos complejos”, señala el Prof. Fuji.
Para arrojar más luz sobre los mecanismos básicos de camuflaje, el Prof. Fujii analizó la importancia de la distancia entre fuentes virtuales y reales. Encontró que una mayor distancia no necesariamente empeoraba el rendimiento del cambiador de fuente. También investigó el efecto de cambiar la frecuencia del sonido emitido en el rendimiento, ya que los cambiadores de fuente estaban optimizados para una sola frecuencia de destino. Finalmente, investigó si el desplazador de fuente podría optimizarse topológicamente para trabajar con múltiples frecuencias de audio.
Aunque su enfoque necesita más refinamiento, los resultados de este estudio sin duda ayudarán a mejorar la acústica de la ilusión. Concluye: “El método propuesto para optimizar el diseño de cambiadores de fuente de alta eficiencia ayudará en el desarrollo del camuflaje de ubicación acústica y el desarrollo de la tecnología holográfica”.
Más información:
Garuda Fujii, camuflando la ubicación de la fuente de sonido con un cambiador de fuente optimizado por topología, Registro de sonido y vibraciones. (2023). DOI: 10.1016/j.jsv.2023.117768
Proporcionado por la Universidad de Shinshu