В нашем недавно опубликованном исследовании представлен способ создания звуковых анклавов — локализованных очагов звука, изолированных от окружающего пространства. Другими словами, мы разработали технологию, позволяющую создавать звук именно там, где он нужен.

Способность передавать звук, который становится слышен только в определенном месте, может преобразить развлечения, общение и пространственное восприятие звука.

Что такое звук?

Звук — это вибрация, распространяющаяся по воздуху в виде волны. Эти волны возникают, когда объект движется вперед-назад, сжимая и разжимая молекулы воздуха.

Частота этих колебаний определяет высоту тона. Низкие частоты соответствуют глубоким звукам, как у бас-барабана; высокие частоты соответствуют резким звукам, как у свистка.

Контролировать распространение звука сложно из-за явления, называемого дифракцией, — тенденции звуковых волн распространяться по мере их прохождения. Этот эффект особенно силен для низкочастотных звуков из-за их большей длины волны, что делает практически невозможным ограничение звука определенной областью.

Некоторые аудиотехнологии, например акустические системы с параметрическим массивом, позволяют создавать сфокусированные звуковые пучки, направленные в определенную сторону. Однако эти технологии все равно будут излучать звук, слышимый на всем пути его следования в пространстве.

Наука о звуковых анклавах

Мы нашли новый способ передачи звука конкретному слушателю: с помощью самоизгибающихся ультразвуковых лучей и концепции, называемой нелинейной акустикой.

Ультразвук относится к звуковым волнам с частотой выше человеческого слуха, или выше 20 кГц. Эти волны проходят через воздух, как обычные звуковые волны, но неслышны для людей. Поскольку ультразвук может проникать через многие материалы и взаимодействовать с объектами уникальными способами, он широко используется для медицинской визуализации и во многих промышленных приложениях.

В нашей работе мы использовали ультразвук в качестве носителя звука. Он может бесшумно перемещать звук в пространстве, становясь слышимым только в нужный момент. Как мы это сделали?

Обычно звуковые волны объединяются линейно, то есть они просто пропорционально складываются в большую волну. Однако, когда звуковые волны достаточно интенсивны, они могут взаимодействовать нелинейно, генерируя новые частоты, которых раньше не было.

В этом и заключается ключ к нашей методике: Мы используем два ультразвуковых луча разной частоты, которые сами по себе абсолютно бесшумны. Но когда они пересекаются в пространстве, нелинейные эффекты заставляют их генерировать новую звуковую волну на слышимой частоте, которая будет слышна только в этом конкретном регионе.

Похожие: Эти шумоподавляющие наушники могут фильтровать определенные звуки по команде, благодаря глубокому обучению

Очень важно, что мы разработали ультразвуковые лучи, которые могут самостоятельно изгибаться. Обычно звуковые волны движутся по прямой линии, если их ничто не блокирует или не отражает. Однако с помощью акустических метаповерхностей — специализированных материалов, которые манипулируют звуковыми волнами, — мы можем придать ультразвуковым лучам изгиб по мере их распространения. Подобно тому, как оптическая линза изгибает свет, акустические метаповерхности изменяют форму пути звуковых волн. Точно управляя фазой ультразвуковых волн, мы создаем изогнутые звуковые траектории, которые могут обходить препятствия и встречаться в определенном месте цели.

Ключевым явлением в этой работе является так называемая генерация разностной частоты. Когда два ультразвуковых луча с немного разными частотами, например 40 кГц и 39,5 кГц, пересекаются, они создают новую звуковую волну на разнице между их частотами — в данном случае 0,5 кГц, или 500 Гц, что находится в пределах человеческого слуха. Звук можно услышать только там, где лучи пересекаются. За пределами этого пересечения ультразвуковые волны остаются бесшумными.

Это означает, что вы можете передавать звук в определенное место или человеку, не беспокоя других людей во время прохождения звука.

Усовершенствование системы управления звуком

Возможность создания звуковых анклавов имеет множество потенциальных применений.

Аудиоанклавы могут обеспечить персонализированное аудио в общественных местах. Например, музеи могли бы предоставлять посетителям различные аудиогиды без наушников, а библиотеки могли бы позволить студентам заниматься с аудиоуроками, не мешая другим.

В автомобиле пассажиры могут слушать музыку, не отвлекая водителя от навигационных инструкций. В офисах и военных учреждениях также можно использовать локализованные речевые зоны для конфиденциальных разговоров. Звуковые анклавы также могут быть адаптированы для подавления шума в определенных областях, создавая тихие зоны для улучшения концентрации на рабочих местах или уменьшения шумового загрязнения в городах.

В ближайшем будущем эта технология не будет лежать на полке. Например, для нашей технологии остаются нерешенные проблемы. Нелинейные искажения могут повлиять на качество звука. Еще одна проблема — энергоэффективность: для преобразования ультразвука в слышимый звук требуются высокоинтенсивные поля, генерирование которых может быть энергозатратным.

Несмотря на эти препятствия, аудиоанклавы представляют собой фундаментальный сдвиг в управлении звуком. Пересмотрев способы взаимодействия звука с пространством, мы открываем новые возможности для иммерсивного, эффективного и персонализированного аудио.

Преодоление этих проблем откроет путь к более компактным и энергоэффективным системам, способным создавать аудиоанклавы в различных условиях. Дальнейшие исследования могут быть сосредоточены на разработке новых материалов и алгоритмов обработки сигналов для повышения качества звука и снижения энергопотребления.

Кроме того, интеграция с другими технологиями, такими как системы отслеживания движений и искусственный интеллект, может открыть новые возможности. Представьте себе систему, которая автоматически настраивает положение и форму звукового анклава в соответствии с движениями слушателя или адаптирует аудиоконтент на основе предпочтений пользователя.

В конечном итоге, развитие звуковых анклавов обещает более интуитивное и персонализированное взаимодействие со звуком. Эта технология может изменить то, как мы взаимодействуем со звуком в повседневной жизни, предлагая более захватывающие, эффективные и конфиденциальные аудиовозможности.

Будущее звука, похоже, будет не только слышимым, но и направленным и персонализированным, благодаря инновациям, таким как звуковые анклавы.