Una nota casa automobilistica ha presentato un nuovo materiale per insonorizzare gli abitacoli dei veicoli.

Ne traggo spunto per accennare ad un ambito di ricerca dell’acustica moderna, che mi consente di richiamare un concetto alla base della progettazione di soluzioni acustiche.

La notizia

Il metamateriale acustico messo a punto dalla casa automobilistica (Credits: Nissan)

Attualmente l’isolamento del rumore all’interno delle autovetture è affidato all’uso di pesanti pannelli in gomma, eventualmente accoppiati a fibre ad alta densità, con cui viene rivestito l’involucro dell’abitacolo.

Il nuovo materiale recentemente presentato è invece ben più leggero in quanto costituito da una struttura in lattice, unita a un film plastico, concepita e dimensionata con l’obiettivo di limitare selettivamente la trasmissione dei suoni nelle gamme di frequenza tipiche dei rumori interni all’autovettura.

Si tratta di un metamateriale acustico. Ma cosa significa ‘metamateriale’ ?

I metamateriali

Un metamateriale è un composito artificiale dato dall’assemblaggio strutturato di materiali comuni, e progettato per avere ottimizzate proprietà elettromagnetiche o meccaniche, che altrimenti non sarebbero disponibili in natura né tantomeno nei singoli materiali che lo originano.

Tali proprietà non dipendono principalmente dalla sua struttura molecolare o composizione chimica, ma dalla sua geometria realizzativa e cioè dalla sua microstruttura tridimensionale, che vede la ripetizione continua di unità o blocchi secondo un certo ordine e una certa periodicità spaziale.

In elettromagnetismo i metamateriali sono alla base, per esempio, delle ricerche per l’occultamento di oggetti ai radar, per la creazione di tessuti che consentano l’invisibilità all’occhio umano, e per la costruzione delle superlenti, cioè di sistemi ottici con potere risolutivo molto inferiore alla lunghezza d’onda della luce.

E in acustica, quando si parla di metamateriale?

I metamateriali acustici

Esempi applicativi di metamateriali acustici in edilizia: metamateriali, metasuperfici, metaporosi, attenuatori a cristalli sonori
(Credits: DENORMS | COST Action CA 15125)

In analogia con quanto visto prima, i metamateriali acustici sono costituiti da una struttura artificiale, originata dalla ripetizione (anche non periodica) di una cella elementare spesso concepita come unione ingegnerizzata di diversi materiali. L’insieme spaziale di queste celle elementari realizza un materiale continuo con proprietà acustiche non convenzionali.

La messa a punto di un metamateriale acustico ha quindi come obiettivo la creazione della cella di base che, replicata uguale a se stessa e assemblata in una struttura seriale più ampia, riuscirà a mettere in opera i valori desiderati di specifiche proprietà acustiche.

Sotto la sollecitazione acustica, il comportamento interno della cella diventa dominante quando essa ha dimensioni molto più piccole della lunghezza d’onda sonora con cui interagisce; in tali condizioni la cella governa le proprietà del metamateriale, e ciò consente di studiare queste ultime attraverso l’analisi di un campione di modeste dimensioni, con evidenti agevolazioni nella fase di ricerca.

Ad oggi i metamateriali acustici consentono di modellare il campo sonoro e controllare la trasmissione del suono nell’aria e nell’acqua. Per esempio, con essi è possibile:

• nascondere acusticamente un oggetto
• modificare l’emissione di un altoparlante e focalizzarla verso direzioni particolari
• migliorare la prestazione fonoisolante di un pannello o di una parete
• costruire finestre in grado di isolare dal rumore esterno pur consentendo l’aerazione dell’ambiente
• costruire silenziatori che consentono il passaggio di aria e luce
• concepire nuovi pannelli fonoassorbenti.

L’acustica è questione di sistema

Studio della prestazione fonoisolante risultante dall’accoppiamento di un sistema acustico con un metamateriale
(Credits: Design of acoustic partitions with thin plate-like acoustic metamaterials; 2019; Felix Langfeldt - Wolfgang Gleine)

Il principio alla base di quanto abbiamo visto è dunque quello secondo cui, componendo opportunamente una struttura attraverso l’unione di materiali convenzionali, è possibile ottenere un nuovo materiale con proprietà inattese.

Inevitabilmente mi torna alla mente una regola antica, spesso trascurata in acustica: non sempre la soluzione ad un problema acustico è nel singolo materiale isolante.

E proprio i moderni metamateriali acustici, nella loro sintesi compositiva, ci ricordano che la soluzione fonoisolante sta nella messa in opera di un sistema composto da più materiali o elementi, che insieme collaborino per massa, dimensioni e caratteristiche meccaniche interne.