Un equipo de físicos e ingenieros de La Salle, Universitat Ramon Llull, en España, desarrolló un dispositivo capaz de reducir de forma drástica las ondas sonoras que rebotan dentro de un conducto. Su diseño, inspirado en el comportamiento de los agujeros negros, puede fabricarse mediante impresión 3D e introducirse directamente en tuberías y ductos que ya existen.
El dispositivo recibe el nombre de agujero negro sónico y aprovecha una propiedad particular de las ondas de sonido: bajo determinadas condiciones, pueden ralentizarse progresivamente hasta quedar prácticamente atrapadas. En lugar de regresar como un eco, gran parte de su energía termina disipándose en forma de fricción y mediante el intercambio de calor entre el aire y las superficies de la estructura, según indica el estudio publicado en la revista Applied Acoustics.
Un agujero negro que no necesita gravedad
A diferencia de los agujeros negros del espacio, este dispositivo no utiliza una enorme fuerza gravitatoria para impedir que algo escape. Su funcionamiento se basa en modificar cuidadosamente la manera en que el sonido se desplaza dentro de un conducto.
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El montaje experimental (izquierda) y el agujero negro sónico impreso en 3D (derecha), que muestran los anillos montados a lo largo de una varilla de soporte central. Foto: Applied Acoustics
Cuando una onda sonora entra en la estructura, su velocidad disminuye progresivamente y su longitud de onda se hace cada vez más corta. Al mismo tiempo, la energía se concentra hacia el extremo final. El resultado recuerda, de cierta manera, a lo que ocurre con la luz cerca del horizonte de un agujero negro.
“Lo que le ocurre a la onda cuando se acerca al final de un agujero negro sónico tiene cierto parecido con lo que observa un observador externo cerca de un agujero negro astrofísico: la onda parece tardar un tiempo infinito en llegar al punto límite”, explicó el ingeniero acústico Oriol Guasch, de La Salle, Universitat Ramon Llull, a ScienceAlert.
En el caso ideal, añadió Guasch, una vez que una onda entra en el agujero negro sónico, no vuelve a salir.
Un dispositivo que puede instalarse en conductos existentes
Los diseños convencionales de agujeros negros sónicos deben construirse dentro del propio conducto, lo que dificulta su instalación en sistemas que ya están funcionando. El nuevo modelo busca resolver ese problema al convertir la estructura en una pieza independiente que puede introducirse posteriormente.
Un agujero negro sónico convencional (arriba) tiene anillos integrados en las paredes de un tubo. El nuevo diseño enchufable (abajo) monta los anillos en una varilla central, lo que permite insertar la estructura en un tubo ya existente.
El dispositivo está formado por una serie de anillos colocados sobre una varilla central. Sus diámetros cambian progresivamente a lo largo de la estructura y los espacios entre los anillos forman cavidades que alteran el desplazamiento de las ondas sonoras.
“Imagina que estás frente a un conducto cerrado en el extremo más alejado y gritas hacia él. Después de un breve retraso, dependiendo de la longitud del conducto, escucharías un eco que regresa desde el extremo. Si el conducto terminara en un agujero negro sónico, prácticamente no escucharías ningún eco. Acústicamente, sería casi como si el tubo fuera infinitamente largo, sin un extremo desde el que el sonido pudiera reflejarse hacia ti”, explicó Guasch.
Una prueba con impresión 3D
Los investigadores fabricaron un prototipo de 15 centímetros de longitud compuesto por 29 anillos montados sobre una varilla central. Después lo introdujeron en un tubo de impedancia, un equipo utilizado en el laboratorio para estudiar el comportamiento de las ondas sonoras al encontrarse con diferentes estructuras.
En lugar de gritar dentro del tubo, utilizaron un altavoz para enviar sonidos de distintas frecuencias y varios micrófonos para medir cuánto sonido regresaba. Los resultados coincidieron, en términos generales, con las simulaciones informáticas, aunque el dispositivo no consiguió eliminar completamente los ecos.
Las simulaciones también mostraron una ventaja importante: el nuevo diseño puede funcionar como agujero negro sónico en un rango de frecuencias más amplio que las configuraciones convencionales. Los investigadores atribuyen este comportamiento a las cavidades entre los anillos, cuyas resonancias aparecen a frecuencias más altas.
Por ahora, la tecnología podría tener aplicaciones en el control del ruido, especialmente en conductos y silenciadores. El equipo también estudia su posible desarrollo en dos y tres dimensiones para aplicaciones en acústica de habitaciones. Sin embargo, todavía existen desafíos relacionados con partículas que podrían obstruir las cavidades y con factores como la temperatura, la presión y el flujo de aire.
“El tipo de control de ondas que ahora se puede lograr probablemente habría parecido ciencia ficción hace varios años”, afirmó Guasch.
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