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O campo da óptica de transformação floresceu na última década, permitindo aos cientistas projetar estruturas baseadas em metamateriais que moldam e orientam o fluxo de luz. Uma das invenções mais deslumbrantes potencialmente desbloqueadas pela óptica de transformação é a capa da invisibilidade – um tecido teórico que desvia a luz que chega do usuário, tornando-o invisível. Curiosamente, tais ilusões não se restringem apenas às manipulações da luz.
Muitas das técnicas usadas na óptica de transformação foram aplicadas a ondas sonoras, dando origem ao campo paralelo da acústica de transformação. Na verdade, os pesquisadores já fizeram progressos substanciais desenvolvendo o “manto acústico”, o análogo do manto de invisibilidade para sons. Embora a pesquisa sobre ilusão acústica tenha se concentrado no conceito de mascarar a presença de um objeto, não houve muito progresso no problema da camuflagem de localização.
O conceito de um deslocador de fonte acústica utiliza uma estrutura que faz com que a localização da fonte de som pareça diferente de sua localização real. Esses dispositivos capazes de “camuflagem de localização acústica” podem encontrar aplicações em holografia avançada e realidade virtual. Infelizmente, a natureza da camuflagem de localização foi pouco estudada, e o desenvolvimento de materiais e superfícies acessíveis que forneceriam um desempenho decente provou ser um desafio.
Diante desse cenário, o professor Garuda Fujii, afiliado ao Banco de Cérebros do Instituto de Engenharia e Arquitetura Energética Paisagística (ELab2) na Universidade de Shinshu, no Japão, já fez progressos no desenvolvimento de shifters de alto desempenho. Em um estudo recente publicado no Jornal de Som e Vibração online em 5 de maio de 2023, o Prof. Fujii apresentou uma abordagem inovadora para projetar estruturas de deslocamento de fonte de acrilonitrila butadieno estireno (ABS), um polímero elástico comumente usado em impressão 3D.
A abordagem do Prof. Fujii é centrada em torno de um conceito central: design inverso baseado na otimização de topologia. A abordagem numérica baseia-se na reprodução de campos de pressão (som) emitidos por uma fonte virtual, ou seja, a fonte que os ouvintes próximos perceberiam erroneamente como real. Em seguida, os campos de pressão emitidos pela fonte real são manipulados para camuflar o local e fazer com que soe como se viesse de um local diferente no espaço. Isso pode ser alcançado com o projeto ideal de uma metaestrutura que, em virtude de sua geometria e propriedades elásticas, minimize a diferença entre os campos de pressão emitidos pelas fontes reais e virtuais.
Utilizando essa abordagem, o Prof. Fujii implementou um algoritmo iterativo para determinar numericamente o projeto ideal dos deslocadores de fonte de resina ABS de acordo com vários critérios de projeto. Seus modelos e simulações tiveram que levar em conta as interações acústico-elásticas entre fluidos (ar) e estruturas elásticas sólidas, bem como as limitações reais da moderna tecnologia de fabricação.
Os resultados da simulação revelaram que as estruturas otimizadas podem reduzir a diferença entre os campos de pressão emitidos da fonte mascarada e os de uma fonte nua no local virtual para até 0,6%. “As configurações ótimas da estrutura obtidas por meio da otimização da topologia exibiram bons desempenhos na camuflagem da localização real da fonte, apesar da composição simples do ABS que não incluía metamateriais acústicos complexos”, observa o Prof. Fujii.
Para lançar mais luz sobre os mecanismos de camuflagem subjacentes, o Prof. Fujii analisou a importância da distância entre as fontes virtuais e reais. Ele descobriu que uma distância maior não necessariamente degradava o desempenho do deslocador de fonte. Ele também investigou o efeito de alterar a frequência do som emitido no desempenho, já que os deslocadores de fonte foram otimizados para apenas uma frequência alvo. Finalmente, ele explorou se um deslocador de fonte poderia ser otimizado topologicamente para operar em múltiplas frequências de som.
Embora sua abordagem exija mais ajustes, as descobertas deste estudo certamente ajudarão no avanço da acústica de ilusão. Ele conclui, “O método de otimização proposto para projetar deslocadores de fonte de alto desempenho ajudará no desenvolvimento da camuflagem de localização acústica e no avanço da tecnologia de holografia”.
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