Ученые Пенсильванского университета представили способ создания локализованных звуковых карманов, изолированных от окружающей среды. Это технология может создавать звук именно там, где он нужен. Работа опубликована в журнале PNAS.
Разработана технология, передающая звук прямо в ухо слушателя без наушников
Ученые Пенсильванского университета представили способ создания локализованных звуковых карманов, изолированных от окружающей среды. Это технология может создавать звук именно там, где он нужен и позволяет слушать аудио без наушников.
Звук. Cinefootage Visuals/iStock via Getty Images Plus
Что, если бы вы могли слушать музыку или подкаст без наушников и не мешать окружающим? Или вести частную беседу на публике, и вас бы никто слышал?
Что такое звук?
Звук — это вибрация, которая распространяется по воздуху, как продольная волна. Эти волны создаются, когда молекулы среды двигаются вперед и назад, создавая более и менее плотные участки. Частота этих вибраций определяет высоту тона. Низкие частоты соответствуют глубоким звукам, таким как большой барабан, высокие частоты соответствуют резким звукам, таким как свист.
Волны частиц, движущихся горизонтально, с гребнями сжатия и долинами разрежения. Звук состоит из частиц, движущихся в непрерывной волне.
Контролировать, куда идет звук, сложно из-за явления, называемого дифракцией: звуковые волны при распространении расходятся в стороны и буквально способны завернуть за угол. Этот эффект особенно силен для низкочастотных звуков из-за их более длинных волн, и это делает практически невозможным ограничение звука определенной областью.
Определенные аудиотехнологии, такие как параметрические массивы громкоговорителей, могут создавать сфокусированные звуковые лучи, направленные в определенном направлении. Однако эти технологии по-прежнему будут издавать звук, слышимый на всем его пути по мере прохождения через пространство.
Наука о слышимых анклавах
Теперь ученые нашли способ отправки звука одному конкретному слушателю: с помощью самоизгибающихся ультразвуковых лучей и концепции, называемой нелинейной акустикой.
Ультразвук относится к звуковым волнам с частотами выше диапазона человеческого слуха или выше 20 кГц. Эти волны распространяются по воздуху, как обычные звуковые волны, но не слышны людям. Поскольку ультразвук может проникать сквозь многие материалы и взаимодействовать с объектами уникальными способами, он широко используется для медицинской визуализации и во многих промышленных приложений.
В новой работе ученые использовали ультразвук в качестве носителя слышимого звука. Он может бесшумно переносить звук в пространстве, становясь слышимым только при желании.
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.
Схема огибания ультразвуковых лучей вокруг головы и пересечения в слышимом кармане. Звуковые анклавы создаются на пересечении двух ультразвуковых лучей.
В новом устройстве ученые используют два ультразвуковых луча на разных частотах, которые сами по себе бесшумны. Но когда они пересекаются в пространстве, нелинейные эффекты заставляют их генерировать новую звуковую волну на слышимой частоте, которая слышна только в конкретной области.
Обычно звуковые волны распространяются по прямой, если не встречают препятствий. Но, используя акустические метаповерхности — специализированные материалы, которые манипулируют звуковыми волнами, можно формировать ультразвуковые лучи так, чтобы они изгибались. Подобно тому, как оптическая линза изгибает свет, акустические метаповерхности изменяют форму звуковых волн. Точно контролируя фазу ультразвуковых волн, ученые создали изогнутые звуковые пути, которые могут огибать препятствия и встречаться в определенном месте.
Ключевым явлением здесь является то, что называется генерацией разностной частоты. Когда два ультразвуковых луча с немного разными частотами, например 40 кГц и 39,5 кГц, накладываются друг на друга, они создают новую звуковую волну на разнице между их частотами — в данном случае 0,5 кГц или 500 Гц, что вполне соответствует диапазону человеческого слуха. Звук можно услышать только там, где лучи пересекаются. За пределами этого перекрестка ультразвуковые волны остаются бесшумными. Это означает, что вы можете доставлять звук в определенное место или человеку, не мешая другим людям по мере распространения звука.
Управление звуком
Возможность создания аудиоанклавов имеет множество потенциальных применений. Аудиоанклавы могут обеспечить персонализированный звук в общественных местах. Например, музеи могут предоставлять различные аудиогиды посетителям без наушников, а библиотеки могут позволить студентам заниматься с помощью аудиоуроков, не мешая другим.
В автомобиле пассажиры могут слушать музыку, не отвлекая водителя от прослушивания навигационных инструкций. Офисы и военные объекты также могут извлечь выгоду из локализованных речевых зон для конфиденциальных разговоров. Аудиоанклавы также могут быть адаптированы для устранения шума в определенных зонах, создавая тихие зоны для улучшения концентрации на рабочем месте или уменьшить шумовое загрязнение в городах.
Один человек смотрит вверх и улыбается в камеру среди толпы. Звук, который можете услышать только вы.
Такое устройство появится в продаже не завтра. У технологии остаются проблемы. Нелинейные искажения могут влиять на качество звука. И энергоэффективность — еще одна проблема: преобразование ультразвука в слышимый звук требует высокоинтенсивных полей, которые могут быть энергоемкими для создания.
Несмотря на эти проблемы, аудиоанклавы представляют собой фундаментальный сдвиг в управлении звуком. Переопределяя то, как звук взаимодействует с пространством, ученые открывают новые возможности для захватывающих, эффективных и персонализированных аудиовпечатлений.