Buraco negro sónico impresso em 3D pode reduzir os ecos em condutas

Dominar o som pode ser uma tarefa surpreendentemente difícil.

Está por todo o lado, emerge de inúmeras fontes e ressalta nas superfícies sob a forma de eco. Dependendo do local e da forma como se produz, essa reverberação torna o som extremamente útil ou profundamente incómodo.

Em certas situações, os ecos causam problemas. Os estúdios de gravação são o exemplo mais evidente, mas existe outro domínio importante, talvez menos óbvio precisamente por estar tão disseminado: as tubagens.

Pense-se na ventilação, no ar condicionado, na extração industrial ou até na canalização. O som propaga-se pelo espaço interior desses tubos e condutas e, quando encontra um obstáculo, uma alteração de forma ou uma extremidade fechada, pode começar a refletir-se repetidamente.

Uma equipa de cientistas desenvolveu agora um pequeno e engenhoso dispositivo capaz de reduzir drasticamente essas reflexões, «engolindo» efetivamente o som.

Chamado buraco negro sónico, o novo dispositivo pode ser impresso em 3D e introduzido diretamente numa tubagem existente. É um avanço significativo face aos modelos convencionais, que exigem que o buraco negro seja construído como parte da própria tubagem.

«Imagine que está diante de uma conduta fechada na extremidade mais distante e grita para o seu interior. Após um breve intervalo, que depende do comprimento da conduta, ouviria um eco a regressar dessa extremidade», disse ao ScienceAlert Oriol Guasch, engenheiro acústico de La Salle, da Universidade Ramon Llull, em Espanha.

«Se a conduta terminasse num buraco negro sónico, praticamente não ouviria eco algum. Em termos acústicos, seria quase como se o tubo tivesse um comprimento infinito, sem uma extremidade a partir da qual o som pudesse ser refletido na sua direção.»

Como funciona um buraco negro sónico

Os buracos negros são sobretudo conhecidos como objetos astrofísicos: regiões do espaço tão densas que a sua gravidade curva o espaço-tempo circundante, formando um horizonte esférico do qual nem sequer a luz consegue escapar.

Como há muitas razões que impedem o estudo destes objetos de perto, os físicos criaram outros métodos. Entre eles estão análogos laboratoriais que reproduzem aspetos do comportamento dos buracos negros, recorrendo por vezes a fenómenos com pouca relação com a gravidade.

O «buraco negro» criado por Guasch e pelos seus colegas é, porém, de outra natureza: inspira-se naquilo que um buraco negro consegue fazer. O dispositivo é descrito num artigo científico cujo primeiro autor é o engenheiro Jie Deng, também de La Salle, da Universidade Ramon Llull.

Em vez de recorrer ao som para simular a física gravitacional, o dispositivo tira partido de uma propriedade invulgar das ondas sonoras. Nas condições certas, estas podem abrandar progressivamente até, na prática, nunca chegarem ao fim do seu percurso.

A ideia lembra o célebre paradoxo da dicotomia, formulado pelo filósofo da Grécia Antiga Zenão: para chegar ao destino, um viajante tem de percorrer metade da distância que falta, depois metade da restante, e assim sucessivamente, parecendo nunca chegar.

A diferença é que, num buraco negro sónico, a onda abranda realmente à medida que avança.

«O que acontece à onda quando se aproxima do fim de um buraco negro sónico tem alguma semelhança com o que um observador externo vê perto de um buraco negro astrofísico: a onda parece demorar um tempo infinito a alcançar o ponto limite», explicou Guasch.

«No caso ideal, assim que uma onda entra no buraco negro sónico, não volta a sair.»

Uma estrutura de anéis para reduzir os ecos

O segredo deste desaparecimento acústico está na estrutura do dispositivo. Tal como um buraco negro astrofísico não é, na realidade, um buraco, a versão sónica também não o é. Trata-se de uma estrutura cuidadosamente concebida para alterar a forma como o som se propaga numa tubagem.

Nos modelos convencionais, uma série de anéis e cavidades reveste o interior do tubo. A disposição faz com que as ondas sonoras abrandem progressivamente enquanto o percorrem: os seus comprimentos de onda diminuem e a sua energia torna-se cada vez mais concentrada.

Há, contudo, um inconveniente. Estas estruturas têm de ser integradas nos próprios tubos, sendo normalmente fabricadas em conjunto com eles, o que dificulta a sua instalação posterior em sistemas existentes. Além disso, o efeito de buraco negro só funciona numa gama limitada de frequências sonoras.

Deng, Guasch e os colegas quiseram saber se poderiam resolver ambos os problemas invertendo toda a estrutura: em vez de um funil, uma árvore de Natal sónica.

«O conceito é surpreendentemente simples e funciona muito bem», afirmou Guasch. «Do ponto de vista prático, o buraco negro sónico pode ser fabricado independentemente da conduta e depois simplesmente introduzido nela.»

O modelo da equipa é composto por uma série de anéis montados numa haste central, cujos diâmetros variam gradualmente ao longo da estrutura. Os espaços entre os anéis formam cavidades que alteram a propagação do som pelo tubo.

Quando entra na estrutura pela ponta, o som abranda. O seu comprimento de onda torna-se progressivamente menor, enquanto a energia se concentra em direção à extremidade mais distante.

É aí que ocorre o truque do desaparecimento. Em vez de simplesmente ressaltar, grande parte da energia sonora concentrada dissipa-se por fricção e pela troca de calor entre o ar e as superfícies do dispositivo. Sobra, assim, muito menos energia para sair sob a forma de eco.

Testes e aplicações do buraco negro sónico

Para testar a ideia, os investigadores imprimiram em 3D um protótipo de 15 centímetros de comprimento, formado por 29 anéis montados numa haste central. Introduziram-no depois num tubo de impedância, um aparelho laboratorial usado para medir o comportamento das ondas sonoras quando encontram um material ou uma estrutura.

Em vez de gritarem para dentro do tubo, usaram uma coluna para enviar ondas sonoras de diferentes frequências e microfones para medir a quantidade de som refletido.

Os resultados foram promissores. A quantidade de som refletido para fora do buraco negro sónico correspondeu, de modo geral, às simulações informáticas da equipa, embora seja importante salientar que o dispositivo não eliminou completamente os ecos.

Os investigadores recorreram também a simulações informáticas para comparar o modelo inserível com um buraco negro sónico convencional. Os resultados sugeriram que a nova geometria poderia oferecer vantagens para além da modularidade e da facilidade de instalação.

«A outra vantagem importante é que a gama de frequências em que o dispositivo se comporta como um buraco negro sónico é consideravelmente mais ampla do que na configuração convencional», explicou Guasch.

As simulações mostraram ainda que o modelo inserível refletia menos som do que o convencional numa vasta gama de frequências.

Isso acontece porque as cavidades entre os anéis de um buraco negro sónico entram em ressonância a determinadas frequências sonoras, alterando a forma como o dispositivo absorve o som.

No novo modelo, a equipa verificou que essas ressonâncias ocorrem a frequências mais elevadas, permitindo que o efeito de buraco negro continue a funcionar numa gama mais ampla.

As aplicações mais imediatas desta tecnologia situam-se, naturalmente, no controlo do ruído, em especial em condutas e silenciadores onde o som refletido pode causar problemas.

Os investigadores já estão, contudo, a olhar para além das tubagens. Estudam a possibilidade de desenvolver buracos negros sónicos em duas e três dimensões, com potenciais aplicações na acústica de salas.

Antes de estas pequenas árvores de Natal devoradoras de som poderem ser usadas em condições reais, ainda há desafios a superar. Cada ambiente apresenta dificuldades próprias, desde partículas capazes de obstruir as cavidades até aos efeitos da temperatura, da pressão e do fluxo de ar.

Guasch entusiasma-se, apesar disso, com as possibilidades de manipular o som de formas que outrora teriam parecido quase impossíveis.

«Pessoalmente, o que considero mais estimulante é a física e a matemática que estão por detrás de tudo isto e a forma como reúne áreas do conhecimento que, à primeira vista, podem parecer pouco relacionadas», disse ao ScienceAlert.

«E, claro, o tipo de controlo das ondas que agora se consegue alcançar teria provavelmente parecido quase ficção científica há alguns anos.»

O estudo foi publicado na revista Applied Acoustics.

Este artigo foi verificado e editado por Fiona MacDonald. Embora nos orgulhemos do nosso processo, somos humanos. Se detetar algum erro, informe-nos.