Acustica

Acustica

Il significato del termine acustica ha subito negli anni un sensibile cambiamento, che si è andato stabilizzando nei tempi recentissimi, nel senso che esso non considera più soltanto la fenomenologia variamente connessa con il senso dell'udito, ma tutto ciò che ricade nell'ambito delle vibrazioni elastiche della materia, a livello microscopico e non. Ciò ha naturalmente comportato non soltanto un ampliamento degli argomenti, quale si sarebbe comunque avuto per la naturale evoluzione scientifica della tematica, ma anche un'estensione degli interessi e delle applicazioni, che oggi spazia su molteplici campi del sapere. L'a. diviene sempre più scienza interdisciplinare, che riguarda la fisica, le telecomunicazioni, l'informatica, l'architettura, la biologia, la medicina, la geofisica, la psicologia, per quello che sono le scienze 'classificate' e l'ambiente, la salute, i beni culturali, le tecnologie dei materiali, se si pensa a una suddivisione per attività. Ciò si deve al fatto che l'a. non è più solo oggetto di studio, ma è divenuta essa stessa strumento della conoscenza: le sue possibilità applicative si sono allargate a quasi ogni campo dell'indagine scientifica, trovando i limiti soltanto là dove viene a mancare il mezzo materiale di propagazione dell'onda. L'onda acustica, almeno nella sua forma armonica, lega tra loro l'ampiezza A della perturbazione, la pulsazione ω, il vettore e il numero d'onde k e k, rispettivamente, e la fase ψ iniziale. Indicando con r e t il vettore posizione nello spazio e il tempo, schematicamente le proprietà del materiale si ritrovano nel legame k=k(ωt), le immagini, le prove non distruttive e l'acustica architettonica nella funzione k=k(r), e il trattamento del segnale nella relazione A=A(ω). L'a. ritrova così la sua unità, già frazionata nelle singole discipline e nelle numerose applicazioni.

Nell'a. teorica, due temi sostanzialmente hanno attratto il maggiore interesse della ricerca negli ultimi tempi: la non linearità e la cavitazione acustica. L'abbandono dell'ipotesi di spostamenti piccoli della vibrazione elastica rispetto alla lunghezza d'onda dà luogo alla descrizione di fenomeni non lineari nella propagazione, con la genesi di frequenze armoniche e subarmoniche della fondamentale. Se le prime sono sempre presenti, pur se piccole, per ogni livello della perturbazione dell'onda fondamentale, le seconde sono tipicamente legate a fenomeni di soglia, cioè si possono instaurare solo se l'ampiezza dell'onda di frequenza fondamentale ha superato un certo valore. La generazione a cascata, poi, delle subarmoniche di ordine più elevato (di frequenza 1/4, 1/8, 1/16 ecc. di quella fondamentale) e delle relative combinazioni determina l'insorgenza del caos, per un certo valore dell'ampiezza, la presenza cioè di un continuo di frequenze, generate con fasi incoerenti e, quindi, una sequenza evolutiva del fenomeno non più prevedibile, pur se deterministicamente generato. La presenza delle vibrazioni subarmoniche, legata a effetti di soglia e più ancora l'insorgenza del caos, pongono pesanti limitazioni all'impiego degli ultrasuoni di elevata potenza in tutte le applicazioni pratiche, quali saranno descritte nel seguito.

Al fine di una migliore comprensione dei fenomeni connessi, appare di notevole interesse lo studio della distribuzione spaziale delle frequenze armoniche e subarmoniche in strutture che vengono sottoposte a grandi ampiezze di vibrazione.

Nel campo applicativo, gli ultrasuoni di grande intensità hanno trovato fortuna in più di un ambito disciplinare e industriale. In medicina, per fare un esempio, sono impiegati per la litotripsia, frammentazione di pietre, nella cura della calcolosi degli organi interni. In tale caso, viene inviata un'onda di elevata intensità che diviene onda d'urto per via dell'aggancio in fase tra le diverse componenti di frequenza con addensamento dell'energia in un punto dell'onda. È opportuno rimarcare che l'effetto di rottura, in tali casi, è dovuto massimamente alla depressione seguente la riflessione dell'onda d'urto dalla superficie rigida del calcolo.

Onde elastiche di grande ampiezza hanno trovato nuovo impiego in molteplici tecniche industriali, quali l'abbattimento dei fumi, la disidratazione di alimenti o nei motori termoacustici. Nel primo caso, l'effetto di aggregazione tra le microparticelle di fumo è dovuto alla diversità di massa di queste, che si pongono in vibrazione nel campo acustico con ampiezze diverse, con probabilità statistica quindi di urtarsi e poi di aggregarsi fino al raggiungimento di masse critiche tali da decantarsi per gravità dalla fase di dispersione nell'atmosfera nella quale sono presenti.

Nella disidratazione alimentare, la fuoriuscita dell'acqua dagli alimenti induce la percolazione dell'umidità interna verso la superficie: la migrazione del liquido è ancor più facilitata dagli effetti di cavitazione acustica che possono intervenire all'interno delle sostanze irradiate acusticamente. Effetti analoghi, sempre legati a fenomeni di trasporto di massa dovuti alla migrazione indotta da vibrazioni acustiche di elevata intensità, sono utilizzati per mettere in salamoia grosse quantità di carni: in tali casi, si ha una migrazione di acqua salmastra dall'ambiente circostante le carni verso l'interno di queste.

Un'ulteriore applicazione nel campo dei procedimenti alimentari, ancora in fase di prova, è l'abbattimento delle schiume. Per es., nella fabbricazione della birra, tipicamente, un annoso problema da affrontare è costituito dall'eliminazione della grande quantità di schiuma prodotta. L'irraggiamento di tale massa da parte di ultrasuoni di elevata intensità in aria induce un abbattimento precoce delle schiume, con conseguente notevole risparmio economico e di energia. Comune a tutti questi processi sopra indicati è la necessità di ottenere fasci di ultrasuoni di elevata intensità in aria, quali non sono generabili con le consuete tecniche acustiche. Si ricorre, pertanto, a grosse piastre piane opportunamente sagomate sulla superficie per recuperare nellin aria lo sfasamento di mezza lunghezza d'onda presente tra aree contigue in vibrazione separate da linee nodali. In aggiunta, l'accoppiamento fra la piastra vibrante e trasduttori di tipo ceramico allineati sull'asse di pilotaggio della piastra viene ottenuto costruendo linee di ritardo la cui forma geometrica costituisce un opportuno dispositivo di accoppiamento delle impedenze acustiche. I motori termoacustici sono di fatto un'applicazione già precedentemente sviluppata, e recentemente migliorata, nella quale il ciclo refrigerante è attuato dalle particelle in oscillazione all'interno di una colonna d'aria nella quale sia presente un'onda stazionaria. Nella zona intermedia tra un nodo e un ventre di spostamento dove una particella oscilla tra due posizioni vicine, si presentano dilatazioni e compressioni adiabatiche. Tutto ciò comporta un locale innalzamento e abbassamento periodici della temperatura, che vengono utilmente sfruttati, mediante scambiatori di calore opportunamente posizionati, per estrarre e fornire calore alla particella e per trasferirlo alle due sorgenti termiche, tra le quali lavora la macchina termica così realizzata. Nell'uso dei motori descritto sopra, di macchine frigorifere, sono stati ottenuti abbassamenti termici di alcune decine di gradi centigradi.

Sulla cavitazione a. è alto, pur se ancora privo di reali applicazioni, l'interesse per il fenomeno della sonoluminescenza da bolla singola, in cui la microbolla costituente il germe di cavitazione implode sincronicamente con l'oscillazione del mezzo acustico, dopo essersi dilatata dal valore iniziale del raggio di qualche micron fino a qualche diecina di micron, emettendo un impulso luminoso con coerenza maggiore di quella stessa dell'oscillazione acustica. Il gas di riempimento della bolla tende a ridursi al solo argon presente nella bolla iniziale, per via della diffusione verso l'esterno che subiscono gli altri componenti dell'aria, e la temperatura finale raggiunta dal gas quando il raggio è al suo valore minimo (comunque non direttamente misurabile se non attraverso lo spettro della radiazione emessa) è maggiore di 10.000 K. In alcuni casi sperimentali è stata data evidenza della produzione di neutroni, ciò suggerendo il raggiungimento di temperature ben maggiori di quelle sopra indicate.

Più in generale, sul fronte delle applicazioni che l'a. ha avuto negli ultimi anni, si segnalano in particolare quelle relative alla biomedicina e alle prove non distruttive. Si è indicata di proposito per prima la biomedicina, poiché è in questo campo che le prove non distruttive, già invalse nelle tecnologie dei materiali, dei beni culturali e della medicina stessa, hanno mutato di aspetto e sono passate dalla fase della diagnostica a quella della terapia. Dalla proliferazione, infatti, delle tecniche dell'ecografia applicate a ogni possibile parte dell'organismo umano, si è passati in tempi più recenti alla ricerca mirata di tecniche per la cura di patologie.

Ancora parzialmente connessa con i fenomeni di non linearità, cui si è fatto più sopra riferimento, l'azione termica indotta dagli ultrasuoni è usata pionieristicamente per l'emostasi di ferite interne all'organismo. Una duplice funzione è attuata dagli ultrasuoni in questo caso: la localizzazione dell'emorragia è ottenuta attraverso il suono emesso dal flusso ematico fuoriuscente dalla ferita interna e, inoltre, l'irraggiamento verso la ferita di ultrasuoni di potenza induce la coagulazione del sangue per effetto termico. Sono stati ottenuti in questo campo risultati di estremo interesse, il cui uso è previsto nei casi di emergenza da incidente o in zone di guerra, per un primo intervento di emostasi delle ferite, al quale farà seguito il necessario perfezionamento chirurgico in zona ospedaliera.

Ulteriori interventi di tipo terapeutico perseguiti con l'irraggiamento acustico di tessuti si effettuano per la crescita del tessuto osseo nei casi di fratture: la persistente azione meccanica prodotta localmente dagli ultrasuoni sembra stimolare la crescita del nuovo tessuto di riparazione del danno fratturale. Si sono rilevate riduzioni temporali dell'ordine del 20-30%. Sul fronte della diagnostica medica, invece, i mezzi di contrasto, esemplificati da soluzioni di microbolle introdotte in perfusione nei vasi sanguigni - già in largo uso per evidenziare tessuti e organi - sono divenuti un veicolo per portare in aree dell'organismo farmaci che saranno rilasciati attraverso il fenomeno di cavitazione indotta da ultrasuoni nelle zone di interesse. Le microbolle vengono riempite del farmaco opportuno ed eventualmente la loro superficie può essere trattata con molecole enzimatiche adatte a localizzarsi nelle zone prescelte per la terapia. L'uso degli ultrasuoni in connessione con le microbolle è visto in prospettiva anche per la realizzazione di tecniche non invasive di misura della temperatura locale degli organi: la conoscenza precisa della temperatura dei tessuti con la risoluzione del millimetro si rende necessaria nelle tecniche di radioterapia dei tumori, sia per il monitoraggio locale degli effetti indotti, sia per il sinergismo degli effetti terapeutici tra temperatura e presenza di ossigeno. Sempre nella terapia dei tumori, si vanno perfezionando le tecniche che utilizzano gli effetti termici indotti dagli ultrasuoni per la distruzione di tessuti oncogeni: risultati soddisfacenti sono stati ottenuti nei casi di tumore alla prostata e al fegato.

Un diverso impiego degli ultrasuoni, invece, che li propone come utile supporto alle tecniche diagnostiche, è rappresentato dai vari processi che vanno sotto il generico nome di elastografia. È questa una tecnica che sostituisce con gli ultrasuoni la palpazione manuale degli organi: la durezza avvertita per palpazione di una zona cistosa viene sostituita dalla rilevazione di una superficie di separazione tra mezzi aventi coefficienti di Poisson diversi. Particolare interesse riveste questa nuova tecnologia acustica nella rivelazione precoce e nella diagnosi dei tumori mammari.

Sul fronte generico delle prove non distruttive nei mezzi materiali non biologici, vi sono molte applicazioni specifiche, tutte sostanzialmente legate alle informazioni derivanti dalle diverse caratteristiche elastiche dei mezzi materiali, o di loro singole parti. Quale indicazione di una tematica più specifica, invece, si vuole qui riportare l'informazione di una tecnologia utilizzata per lo studio di strutture molto piccole, per le quali i tempi tipici degli impulsi ultrasonori sono dell'ordine dei picosecondi. In un generico esperimento di ultrasuoni basato sulla rilevazione dell'eco riflessa, è essenziale utilizzare impulsi acustici la cui risoluzione spaziale sia minore del percorso di andata e ritorno attraverso il campione da esaminare, al fine di evitare la sovrapposizione dei successivi echi riflessi. Quale conseguenza, per effettuare misure su strutture di dimensioni molto piccole è necessario generare e rivelare impulsi acustici estremamente brevi. La lunghezza degli impulsi generati in molti sistemi di misura ultracustici per mezzo di trasduttori piezoelettrici è dell'ordine di alcuni microsecondi e può scendere in alcuni casi assai particolari anche a qualche nanosecondo. Anche in tal caso, tuttavia, la lunghezza spaziale di un impulso è dell'ordine della decina di micron ed è quindi troppo lunga per poter studiare strutture delle stesse dimensioni. La riduzione di queste distanze, e dei conseguenti tempi di durata degli impulsi, si può ottenere oggi per via ottica. Il campione in studio, costituito da un film sottile depositato su un sottostrato, viene irradiato da un impulso laser di brevissima durata che provoca uno stress termico sulla superficie del campione e la conseguente generazione di un impulso acustico che si irradia sulla superficie del film e all'interno del sottostrato per essere poi riflesso dall'interfaccia esistente tra film e sottostrato. La rivelazione dell'impulso al suo ritorno sulla superficie libera del film è effettuata ancora per via ottica, in tal modo consentendo rivelazioni corrispondenti a tempi di transito acustici dell'ordine dei picosecondi. L'uso previsto di tale tecnologia è tipicamente quello della microelettronica e in prospettiva delle nanotecnologie per la diagnostica dei film correntemente usati.

Sul tema delle nanotecnologie è da ricordare in a. l'applicazione della microscopia acustica a strutture aventi dimensioni nanometriche. Di fatto, si utilizza un'opportuna variante del microscopio a forza atomica per visualizzare superfici sulle quali siano depositati nanotubi o, più genericamente, nanostrutture. Nel microscopio a forza atomica, una sottile punta, asservita a un calcolatore, viene mossa lungo la superficie del campione da visionare: la distanza tra la punta e il campione è mantenuta costante attraverso un meccanismo di retroazione che mantiene fissa la deformazione del supporto della punta, quindi la forza agente su questa da parte degli atomi presenti sulla superficie del campione. Dalla misura dello spostamento che viene indotto sulla punta dalle forze locali sulla superficie si risale direttamente alla topografia della superficie stessa. Se, peraltro, la punta viene tenuta in contatto con la superficie del campione durante la fase di scansione di questo, e la superficie viene posta in oscillazione mediante un'onda acustica emessa da un trasduttore sottostante, dalla misura dell'ampiezza di oscillazione della punta a contatto si può risalire al valore locale delle costanti elastiche del materiale, e produrre in tal modo una mappa della superficie del campione basata sui parametri acustici di questo su scala nanometrica.

Per quanto riguarda le frequenze udibili, questo campo è oggi certamente più maturo, e quindi meno innovativo, di quello degli ultrasuoni. Tuttavia, pur se la conoscenza della fenomenologia connessa può dirsi completa, la definizione della risposta soggettiva al campo acustico - costituente argomento fondamentale nell'interesse per questo campo di frequenze - coinvolge, oltre che il livello fisiologico dell'organismo umano, anche quello psicologico e, pertanto, è oggetto di indagine, di interpretazione, di discussione.

In merito ai problemi della fenomenologia di base, l'inserimento delle tecnologie informatiche ha messo a disposizione numerosi programmi di definizione del campo acustico, sia in ambienti aperti sia in ambienti chiusi, a partire da sorgenti di rumore definite: gli interventi di bonifica acustica sono così divenuti più puntuali ed efficaci, potendosi prevedere l'inserimento negli ambienti di opportune barriere, pannelli ecc., i cui effetti sono immediatamente individuabili. Anche sui processi inversi, quelli cioè che identificano le sorgenti sulla base del campo acustico così come viene misurato in alcuni punti del campo, le tecniche informatiche si rivelano ogni giorno più efficaci, potendosi indurre il livello acustico della sorgente dai valori reali dei livelli misurati in punti campionati e prevedere il livello futuro, dopo eventuali interventi sulla posizione degli ostacoli, inserimenti di manufatti, introduzione di nuove sorgenti ecc. Ciò è di particolare interesse per il progettista di sale d'ascolto o di sale da concerto, nelle quali sia necessario prevedere la distribuzione spaziale del suono, nelle sue varie componenti spettrali, quando si mutino le posizioni della piattaforma orchestrale, dei pannelli correttivi o degli altri arredi, nella trasformazione che talvolta debbono subire le sale quando si debbano eseguire concerti all'interno di teatri d'opera o altro. Un'altra modalità di intervento del calcolatore nella correzione del suono nelle sale consiste nella determinazione artificiale del tempo di riverberazione, ottenuta con un sistema di ritardi nella distribuzione del suono da parte di altoparlanti spazialmente distribuiti: in tal modo si riesce a ottimizzare una medesima sala d'ascolto per musiche diverse, a seconda del tempo ottimale di riverberazione richiesto.

L'ausilio del computer muta parzialmente di impiego quando siano da definire o prevedere gli effetti della qualità assoluta di un suono, prescindendo dalla sua modalità di distribuzione nell'ambiente: in tal caso, infatti, entrano in gioco i meccanismi di audizione e di percezione, che possono dipendere dal soggetto. In una medesima sala da concerto, per es., la preferenza di un sito di ascolto rispetto a un altro può essere soggettiva e, in taluni casi, i posti di abbonamento di una sala vengono distribuiti unicamente sulla base di tale preferenza. Alcuni termini d'uso per valutare la qualità di un suono sono l'intensità, la sharpness ("acutezza" o, letteralmente, "affilatura, distribuzione dell'energia in frequenza") e la roughness ("asprezza"), che vengono definite statisticamente sulla base delle risposte sensoriali di più ascoltatori. È in tale ambito che il calcolatore si rende utile per l'impiego di metodi propri della teoria dell'analisi dei segnali atti a predire i valori di tali grandezze psicoacustiche. Tuttavia, una descrizione più completa della qualità del suono richiede di includere nella valutazione ulteriori attributi sensoriali e a tal fine si prestano i metodi di semantica differenziale, già ampiamente usati in passato. A questi si aggiungono con successo le così dette connotazioni affettive, vale a dire quei significati di un suono che possono stimolare definiti stati emozionali dell'ascoltatore.

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