A qualcuno di voi sarà capitato di visitare l’ISE (Integrated System Europe), la più importante manifestazione europea dedicata alle tecnologie audio e video. Da diversi anni, camminando tra gli stand, mi succede puntualmente di sentire una voce, sempre femminile , che mi sussurra qualcosa in inglese.
La prima volta, devo ammetterlo, rimasi davvero colpito: un sussurro perfettamente intelligibile nonostante il rumore di fondo della fiera, come se qualcuno mi stesse parlando direttamente all’orecchio.
Quella voce proveniva invece da un altoparlante ultradirettivo collocato a diversi metri di distanza.
Produrre un suono udibile soltanto all’interno di una zona molto precisa dello spazio è uno degli obiettivi più interessanti dell’acustica applicata. Le possibili applicazioni sono numerose: ottimizzazione della direttività nell’audio immersivo, sistemi audio personali, abitacoli automobilistici, cabine di aerei e treni, installazioni museali, realtà virtuale e aumentata, postazioni multimediali nelle quali più persone possano ascoltare contenuti differenti senza utilizzare cuffie.
Il problema è che per ottenere una forte direttività alle frequenze audio generalmente sono necessarie sorgenti di dimensioni considerevoli. Uno studio pubblicato il 22 maggio 2026 su Nature Communications propone però una soluzione molto diversa.
Il lavoro intitolato Dual-domain metamaterials co-integrated with a compact ultrasonic transducer for highly directional audio generation, è firmato da Woongji Kim, Beomseok Oh, Wonkyu Moon e Junsuk Rho, ricercatori del Department of Mechanical Engineering della Pohang University of Science and Technology (POSTECH).
L’idea sviluppata dai ricercatori consiste nel generare un fascio sonoro estremamente direttivo utilizzando un solo trasduttore piezoelettrico ultrasonico, integrato con due differenti strutture metamateriali. Il prototipo è stato chiamato MiPAL, acronimo di Metamaterials-integrated Parametric Array Loudspeaker.
Perché è difficile rendere direttive le basse frequenze?
La direttività di un trasduttore dipende in larga misura dal rapporto tra le dimensioni della superficie radiante e la lunghezza d’onda del segnale emesso.
Per le frequenze superiori (con lunghezza d’onda piccola) la direttività può essere ottenuta anche con una sorgente relativamente compatta. Scendendo in frequenza aumenta la lunghezza d’onda e, per ottenere lo stesso risultato, occorre aumentare considerevolmente le dimensioni della sorgente.
È uno dei motivi per cui un normale tweeter è decisamente più direttivo all’estremo superiore della banda audio, riducendo anche l’angolo ottimale di emissione. Invece un woofer, alle frequenze più basse tende ad avere un’emissione molto più vicina all’omnidirezionale. Ed è questo il motivo del perché dei “sussurri” durante l’ISE: Il contenuto in frequenza dei sussurri si concentra prevalentemente nella gamma delle frequenze medio-alte e alte, tra 500 Hz e 8.000 Hz, con un’estensione che può raggiungere i 10.000-12.000 Hz per i suoni sibilanti.
Esiste però un modo completamente diverso di affrontare il problema: non generare direttamente il segnale audio.
È il principio utilizzato dai cosiddetti Parametric Array Loudspeakers, o PAL.
Un altoparlante che utilizza gli ultrasuoni
Il principio degli array parametrici sfrutta una caratteristica apparentemente poco intuitiva: la debole non linearità dell’aria. Lo schema generale del processo è illustrato nella Figura 1a.
Supponiamo di generare due segnali ultrasonici di frequenza e . Durante la propagazione, le interazioni non lineari nell’aria producono nuove componenti spettrali, tra le quali quella corrispondente alla differenza tra le due frequenze:
Se, per esempio, vengono emesse due componenti ultrasoniche a 60 e 61 kHz, dalla loro interazione può generare una componente udibile a 1 kHz. La Figura 1b mostra la rappresentazione spettrale del fenomeno: accanto alle due componenti ultrasoniche primarie compare il segnale secondario alla frequenza differenza. È lo stesso fenomeno della distorsione per differenza di frequenze che si ha nei sistemi di altoparlanti, solo che qui e l’aria a distorcere e questa distorsione viene usata per veicolare il segnale acustico.
Il punto fondamentale è che le frequenze ultrasoniche hanno lunghezze d’onda estremamente ridotte. È quindi possibile ottenere un fascio ultrasonico molto stretto utilizzando una sorgente relativamente piccola.
L’interazione non lineare si sviluppa progressivamente lungo il percorso di propagazione e può essere interpretata come una sorgente virtuale distribuita. Il campo audio così generato assume una distribuzione fortemente direttiva, legata alle caratteristiche spaziali delle onde ultrasoniche primarie.
In altre parole, invece di cercare di rendere direttivo un segnale a 1 kHz, si rende direttivo il campo ultrasonico dal quale quel segnale verrà successivamente prodotto.
Il limite degli array parametrici tradizionali
Il principio non è nuovo e i diffusori parametrici esistono da tempo. Il problema riguarda soprattutto il modo in cui vengono normalmente realizzati.
Un PAL convenzionale utilizza generalmente decine o persino centinaia di piccoli emettitori ultrasonici disposti in array. La molteplicità degli elementi rende più complessi la costruzione, il pilotaggio e il controllo dell’uniformità della sorgente, aumentando inoltre costi e ingombri.
Gli emettitori ultrasonici commerciali presentano poi una risposta fortemente condizionata dalle proprie risonanze. Il progettista deve quindi costruire il sistema intorno a componenti già definiti, con una libertà limitata nell’ottimizzazione congiunta del trasduttore e del campo irradiato.
Sono stati sviluppati anche PAL basati su un’unica piastra radiante, ma queste soluzioni presentano altri problemi: i modi flessionali della piastra producono un campo ultrasonico poco coerente e le intermodulazioni possono eccitare direttamente modi strutturali nella banda audio, generando un’emissione parassita poco direttiva.
Kim e colleghi hanno cercato di affrontare contemporaneamente entrambe le problematiche.
Principio e struttura del MiPAL. (a) Generazione del fascio ultrasonico direttivo e del campo audio secondario. (b) Due componenti ultrasoniche producono, attraverso la non linearità dell’aria, un segnale udibile alla frequenza pari alla differenza tra le due frequenze. (c) Architettura del dispositivo, formato da trasduttore piezoelettrico di tipo Langevin, tromba meccanica, piastra radiante, metasuperficie acustica e meta-unità elastiche. (d) Metasuperficie utilizzata per correggere il fronte d’onda ultrasonico. (e) Piastra radiante con i risonatori elastici applicati sul lato posteriore. (f) Campo ultrasonico senza metasuperficie, a sinistra, e dopo la collimazione, a destra. (g) Campo audio in presenza della Combination Resonance, a sinistra, e dopo la sua soppressione mediante le meta-unità, a destra.
Immagine riprodotta senza modifiche da W. Kim, B. Oh, W. Moon e J. Rho, Nature Communications, 17, 6750 (2026), DOI: 10.1038/s41467-026-73604-0, licenza CC BY-NC-ND 4.0.
Un solo trasduttore
Nel MiPAL l’array di numerosi emettitori viene sostituito da un trasduttore ultrasonico piezoelettrico. L’architettura complessiva del dispositivo è rappresentata nella Figura 1c.
Il sistema è composto da un trasduttore piezoelettrico, una tromba meccanica conica, una piastra radiante di grande superficie, una metasuperficie acustica per la correzione del fronte d’onda e una serie di risonatori elastici destinati a sopprimere le vibrazioni indesiderate.
Il trasduttore comprende una massa posteriore in acciaio, anelli piezoelettrici e una testa di adattamento in alluminio. La tromba meccanica amplifica lo spostamento prodotto dal trasduttore ed eccita il centro della piastra radiante circolare in alluminio.
La piastra e la metasuperficie frontale hanno un diametro di 100 mm. La metasuperficie è montata all’interno di una struttura quadrata di supporto di 150 mm di lato.
Il prototipo è stato progettato intorno a una portante ultrasonica di 60 kHz e per una distanza di ascolto di circa 0,5 metri, rappresentativa di un’applicazione personale a corto raggio.
Utilizzare una piastra radiante di queste dimensioni introduce però un problema. Alla frequenza di lavoro la piastra vibra secondo un modo flessionale di ordine elevato e non si comporta come un pistone rigido. Le diverse regioni della superficie irradiano quindi con ampiezze e fasi differenti, producendo un campo ultrasonico prevalentemente fuori asse e poco concentrato nella direzione dell’ascoltatore.
È qui che entra in gioco il primo metamateriale.
Una metasuperficie per ricostruire il fronte d’onda
Davanti alla piastra radiante i ricercatori hanno collocato una metasuperficie acustica, visibile nella Figura 1d insieme a un dettaglio delle celle che la compongono.
Una metasuperficie può essere vista, semplificando, come una struttura formata da numerose celle elementari progettate per modificare localmente ampiezza e fase dell’onda sonora.
Nel MiPAL la struttura comprende 21 corone concentriche di celle, sostenute da sei nervature radiali. Le celle combinano una guida d’onda centrale, risonatori di Helmholtz interconnessi (microrisuonatori, dato che le frequenze in gioco sono attorno 60 kHz) e un canale acustico ripiegato, indicato come space-coiling channel.
Modificando opportunamente la geometria delle celle in funzione della loro posizione, ciascuna di esse introduce la correzione di fase necessaria a compensare il fronte d’onda incoerente prodotto dal modo flessionale della piastra.
Subito dopo l’attraversamento della metasuperficie rimangono alcune oscillazioni di fase dovute agli accoppiamenti di campo vicino. Dopo alcune lunghezze d’onda di propagazione emerge però un fronte sostanzialmente piano e collimato.
Il principio può essere paragonato, con una certa approssimazione, a quello di una lente acustica: la metasuperficie non genera il suono, ma interviene sulla sua propagazione, trasformando il campo ultrasonico inizialmente irregolare in un fascio coerente diretto lungo l’asse. Paradossalmente le lenti acustiche visibili tempo fa nei sistemi di altoparlanti professionali erano impiegate per allargare il diagramma di radiazione dell’altoparlante su cui erano montate; qui al contrario la struttura serve a concentrare e regolarizzare l’emissione.
La Figura 1f rende immediatamente visibile il risultato. Senza metasuperficie, a sinistra, la vibrazione flessionale della piastra produce un campo ultrasonico incoerente e prevalentemente fuori asse. Con la metasuperficie, a destra, il fronte d’onda viene collimato e l’energia si concentra lungo l’asse del dispositivo.
La collimazione risulta particolarmente efficace nella banda ultrasonica compresa tra 60 e 70 kHz, mentre tra 50 e 60 kHz la direttività è meno pronunciata.
Il secondo problema: la piastra può diventare un altoparlante
Rimane però un’altra difficoltà, particolarmente interessante dal punto di vista elettroacustico.
Quando il sistema viene pilotato simultaneamente con più componenti ultrasoniche, le non linearità non si manifestano esclusivamente nell’aria. I prodotti di intermodulazione possono anche eccitare direttamente i modi propri della struttura alle frequenze audio.
Gli autori indicano questo fenomeno come Combination Resonance, o CR.
In queste condizioni la piastra comincia a irradiare direttamente nella banda udibile. Questa emissione non è prodotta dalla sorgente virtuale distribuita nell’aria e, di conseguenza, non possiede la direttività del fascio parametrico.
Si crea così intorno al trasduttore una sorta di cupola acustica parassita, quasi omnidirezionale. Il suo livello può diventare comparabile con quello del segnale utile in asse, compromettendo proprio la caratteristica per la quale il sistema è stato progettato. Il fenomeno è rappresentato nella parte sinistra della Figura 1g.
Per affrontare il problema i ricercatori hanno introdotto il secondo metamateriale.
Metamateriali anche nel dominio meccanico
Sul lato posteriore della piastra sono applicati 18 piccoli elementi meccanici risonanti, definiti nello studio elastic meta-units. La loro disposizione e la struttura del singolo elemento sono mostrate nella Figura 1e.
Ogni elemento è formato essenzialmente da una massa concentrata collegata alla piastra attraverso una piccola struttura elastica a sbalzo. Modificando le dimensioni della massa e dell’elemento elastico è possibile determinarne la frequenza di risonanza.
Gli autori hanno calcolato i principali modi flessionali di ordine inferiore della piastra e collocato le meta-unità in corrispondenza dei ventri modali, cioè nelle regioni dove si concentra maggiormente l’energia di deformazione.
Quando la risonanza locale delle meta-unità viene accordata in prossimità del modo strutturale da contrastare, le proprietà dinamiche viste dalla piastra vengono modificate. Il risultato osservato è una separazione dei modi, accompagnata dalla riduzione e dall’allargamento dei picchi di risonanza.
Nel prototipo presentato, la banda di intervento è stata ottimizzata soprattutto per la Combination Resonance del secondo modo, situata intorno a 2 kHz. Le risonanze parassite associate al primo e al terzo modo, rispettivamente vicine a 400 Hz e 6 kHz, si trovano invece fuori dalla regione di soppressione scelta e risultano attenuate in misura molto minore.
Le misure effettuate con un vibrometro laser Doppler mostrano che le meta-unità riducono sensibilmente l’ampiezza dei modi strutturali interessati, mentre il modo flessionale di ordine elevato utilizzato per la generazione ultrasonica rimane sostanzialmente preservato.
La parte destra della Figura 1g mostra l’effetto finale: una volta attenuata la Combination Resonance, la cupola acustica parassita viene fortemente ridotta e nel campo audio torna a prevalere il fascio parametrico direttivo.
È proprio questa doppia azione che spiega l’espressione dual-domain metamaterials scelta dagli autori: il sistema controlla il dominio acustico attraverso la metasuperficie frontale e quello elastico/strutturale attraverso i risonatori applicati alla piastra.
Le misure
Il prototipo è stato caratterizzato in una camera semianecoica.
La metasuperficie è stata montata a una distanza dalla piastra pari a metà della lunghezza d’onda corrispondente alla portante ultrasonica. Durante le misure il trasduttore è stato pilotato con una tensione di 50 V.
Per caratterizzare il campo ultrasonico è stato utilizzato un microfono da 1/8 di pollice, spostato mediante un sistema lineare automatizzato. Il trasduttore veniva contemporaneamente ruotato attraverso una tavola rotante motorizzata, permettendo di ricostruire il diagramma di radiazione.
Le prove sono state condotte utilizzando una componente a 60 kHz insieme a bande laterali superiori poste a 60,5, 61, 62, 64 e 68 kHz. Le rispettive differenze generano segnali audio a 500 Hz, 1, 2, 4 e 8 kHz.
Le misure mostrano che la pressione ultrasonica raggiunge il massimo a circa 0,45 metri dalla sorgente. L’interazione non lineare continua però ad accumularsi durante la propagazione e il campo audio demodulato raggiunge il massimo in prossimità di 0,5 metri, corrispondenti alla distanza di ascolto scelta in fase di progetto.
Per verificare che il segnale audio rilevato fosse realmente prodotto dall’interazione non lineare nell’aria, e non dalla demodulazione indesiderata all’interno della catena di misura, gli autori hanno utilizzato un microfono audio dotato di un apposito filtro per la soppressione delle componenti ultrasoniche.
La verifica è importante perché anche il microfono e la sua elettronica possono comportarsi in modo non lineare in presenza di livelli ultrasonici elevati, producendo artificialmente componenti alla frequenza differenza.
Un fascio direttivo su oltre quattro ottave
Uno dei risultati più interessanti riguarda l’estensione della banda.
Il prototipo ha generato un’emissione audio fortemente direttiva tra 500 Hz e 10 kHz, quindi su un intervallo superiore a quattro ottave.
Gli autori hanno verificato sperimentalmente il comportamento attraverso la risposta in frequenza, i diagrammi polari e l’ampiezza del fascio a metà potenza, o HPBW, acronimo di Half-Power Beamwidth. I risultati sperimentali sono stati inoltre confrontati con le simulazioni del campo acustico non lineare.
Le misure mostrano che la direttività viene mantenuta nell’intera banda considerata. Particolarmente significativo è il comportamento intorno a 2 kHz, dove la piastra priva delle meta-unità manifesta una forte Combination Resonance e produce una consistente emissione quasi omnidirezionale.
Con l’applicazione dei risonatori meccanici, questa componente viene fortemente attenuata e il fascio parametrico torna a dominare il campo irradiato.
La prova con un segnale vocale
Gli autori hanno effettuato anche una dimostrazione con un segnale vocale, utilizzando come programma un annuncio della metropolitana.
Il segnale demodulato è stato registrato a , , e , mantenendo il microfono a una distanza di 0,5 metri. In presenza delle meta-unità, il livello diminuisce progressivamente allontanandosi dall’asse del dispositivo, come ci si aspetta da un’emissione fortemente direttiva.
Senza i risonatori elastici, negli spettrogrammi compare invece una componente intensa intorno a 2 kHz che varia molto poco con l’angolo. È la manifestazione della Combination Resonance: un’emissione prodotta direttamente dalla vibrazione della piastra e quindi distribuita nello spazio in maniera molto meno selettiva.
Lo studio e i materiali supplementari comprendono prove anche con altri segnali vocali e musicali. Si tratta però di dimostrazioni del funzionamento e della selettività spaziale del sistema, non di una valutazione della qualità di riproduzione secondo criteri Hi-Fi.
Una direttività oltre i limiti convenzionali
Dal punto di vista dell’elettroacustica tradizionale il risultato è notevole.
Un’apertura radiante di 10 centimetri non potrebbe produrre direttamente un fascio altrettanto stretto a 500 Hz: a quella frequenza la lunghezza d’onda nell’aria è di circa 69 centimetri.
Nel MiPAL la direttività non viene però determinata dal rapporto tra la dimensione della sorgente e la lunghezza d’onda del segnale audio, ma da quella delle onde ultrasoniche primarie.
È il fascio ultrasonico a essere collimato dalla metasuperficie. La componente udibile nasce successivamente dalla progressiva interazione non lineare nell’aria e conserva una distribuzione spaziale fortemente direttiva.
È questo meccanismo che permette agli autori di parlare di manipolazione non lineare deep sub-diffraction: il campo audio raggiunge una direttività che non sarebbe ottenibile irradiando direttamente la stessa frequenza da una sorgente convenzionale con un’apertura di quelle dimensioni.
Una tecnologia ancora da sviluppare
Il MiPAL rappresenta una dimostrazione tecnologica molto interessante, ma è ancora lontano dal poter essere considerato un diffusore Hi-Fi. La banda riprodotta, compresa tra 500 Hz e 10 kHz, non copre l’intero spettro udibile e lo studio si concentra soprattutto sulla direttività, senza analizzare in modo completo parametri come distorsione, dinamica e qualità timbrica.
Il risultato va quindi letto per ciò che dimostra: la possibilità di ottenere un fascio audio estremamente direttivo con un dispositivo compatto e un solo trasduttore ultrasonico. Non un’alternativa immediata ai diffusori tradizionali, ma una tecnologia promettente per applicazioni nelle quali il controllo spaziale del suono è più importante della riproduzione a gamma completa.
Possibili campi di utilizzazione
Le applicazioni indicate dagli autori riguardano soprattutto situazioni nelle quali sia necessario creare zone di ascolto personali.
Un esempio discusso nello studio è quello delle cabine degli aerei e dei treni, dove piccoli sistemi integrati nei sedili potrebbero inviare contenuti differenti ai singoli passeggeri, riducendo l’interferenza con i posti vicini.
Lo stesso principio potrebbe trovare applicazione negli abitacoli automobilistici, nei dispositivi elettronici personali, nelle installazioni interattive e nei sistemi di realtà virtuale o aumentata.
La possibilità di utilizzare un singolo trasduttore e componenti metamateriali realizzabili mediante stampa tridimensionale potrebbe inoltre ridurre costi e complessità rispetto agli array formati da un grande numero di emettitori.
Spingendo il ragionamento oltre le applicazioni direttamente sperimentate nello studio, una tecnologia di questo tipo potrebbe contribuire a modificare anche il concetto di riproduzione multicanale. Non necessariamente, quindi, più diffusori incaricati di ricostruire un campo sonoro nell’intero ambiente, ma sorgenti capaci di indirizzare selettivamente contenuti differenti verso specifiche regioni dello spazio.
È però una prospettiva ancora lontana dalla realizzazione pratica e dipendente da problemi che il prototipo attuale non affronta, tra cui la copertura di ambienti più grandi, la presenza di superfici riflettenti e il movimento dell’ascoltatore rispetto al fascio.
Riferimenti
Woongji Kim, Beomseok Oh, Wonkyu Moon, Junsuk Rho, “Dual-domain metamaterials co-integrated with a compact ultrasonic transducer for highly directional audio generation”, Nature Communications, vol. 17, articolo 6750, 2026. DOI: 10.1038/s41467-026-73604-0.
Jun Yang , Peifeng Ji, “Parametric Array Loudspeakers, From Theory to Application” – Springer – 2025
https://link.springer.com/book/10.1007/978-981-96-3548-1
