Кастомизация звука: «линзы» из метаматериала для контроля звукового поля

При походе в кинотеатр первое на что мы обращаем внимание это картинка. Яркие цвета, четкое изображение без каких-либо огрехов имеют огромное значение для нашего восприятия того фильма, что мы смотрим. Но не стоит забывать и про звук. Если его качество хромает, то какой бы не была картинка, впечатления от просмотра будут подпорчены. Качеству изображения уделяется гораздо больше внимания: разрабатываются новые экраны, очки для 3D-видео, камеры, линзы и многое, многое другое. Сегодня же мы поговорим с вами об исследовании, в котором группа ученых решила исправить эту несправедливость. Они уделили все свое внимание, время и интеллект именно звуку, а точнее разработке нового устройства, способного работать со звуком, как со светом. Телескоп, лупа, коллиматор и даже варифокальная линза, и все это с приставкой «акустический». Как именно ученым удалось достичь контроля над звуковыми волнами, что из себя представляет их устройство, насколько сложно его создать и какие результаты оно показало во время тестов? Об этом мы узнаем из доклада исследовательской группы. Поехали.

Основа исследования

Ученые отмечают, что формирование и управление звуковыми полями это самая важная составляющая современных технологий, связанных с воспроизведением звука. Как правило, это достигается за счет управления интенсивностью или фазой источника-генератора звука с применением фазированных решеток. Данный метод позволяет управлять звуком в реальном времени, однако устройства такого рода зачастую громоздкие и дорогие.

В свою очередь, свет требует иного подхода, если мы хотим заполучить контроль над ним. Улучшить восприятие можно посредством сопутствующих деталей (фильтры, линзы и т.д.). Изменение параметров этих элементов позволяет получить определенный тип устройства со своими уникальными свойствами (камеры с автофокусом, ЖК-дисплеи, VR-гарнитуры и т.д.). Подобные манипуляции со звуком пока невозможны. Если мы хотим лучший звук, нам необходимы большие и мощные динамики, утрировано говоря.

Изображение №1: (а) — сравнение предыдущих разработок (слева) и описываемых в данном труде (справа); (b) — преобразование стандартной колонки в направленную; (с) — установка фокусируемой акустической линзы.

Решить эту проблему могут помочь метаматериалы. Отличительной особенностью таких материалов является то, что их свойства практически никак не зависят от характеристик веществ, из которых они изготавливаются. Куда важнее как именно они изготавливаются, то есть какую имеют структуру, архитектуру, топологию, форму и т.д. К сожалению, использование метаматериалов в работах со звуком пока не особо распространено ввиду некоторых сложностей: толщина, не соответствующая длинам волн; статичность устройства и ограниченный частотный диапазон.

Для ученых же эти ограничения вызов, который они смело принимают. Ими был разработан новый метод проектирования метаматериалов, напоминающих линзы, но не для света, а для звука. При этом удалось обойти вышеперечисленные ограничения. Как именно мы разберем подробнее.

Проектирование метаматериала

Исследователи выделяют четыре основных шага в процессе создания метаматериала:

• выбор его функций (что он должен делать со звуком);
• преобразование этой информации в аналогичное распределение фазы/интенсивности (2a) на поверхности метаматериала (далее метаповерхность);
• выбор рабочих ячеек (2а);
• создание метаповерхности, учитывая ограничения с точки зрения пространства и амплитудно-частотных характеристик (2b).

Изображение №2: (а) — сравнение двух фазовых профилей; (b) — COMSOL моделирование передачи ячейки #15, масштабированное так, чтобы ее основание составляло 10,4 мм; (с) — принцип работы ячейки типа В.

Необходимо понимать, что от будущей функции метаповерхности будет зависеть как будет выглядеть распределение акустического давления, прошедшего через устройство. Соответственно, важную роль играет геометрия метаповерхности и распределение интенсивности.

Ученые, очевидно, знают что именно они ходят от своего творения — действовать как линза, но для звука. Линза в таком случае будет характеризоваться двумя параметрами: фокусное расстояние и физический размер (в случае метаповерхности — сколько ячеек линза занимает).

Как только желаемое фокусное расстояние (f) установлено вдоль оси линзы (ˆz), распределение фазы φ(x, y) на метаповерхности (предполагается, что она находится в плоскости z = 0) получается путем утверждения факта того, что все вклады от ячеек входят в фазу на (0, 0, f). Для данного конкретного труда ученые использовали параболический профиль:

φ(r) = φ₀ — А²(x²+y²)

где φ(x, y) — локальная фаза, относящаяся к ячейке, A — постоянная, связанная с локальной кривизной фазового профиля, λ₀ — расчетная длина волны, а φ₀ — произвольная постоянная.

Параболический фазовый профиль в оптике позволяет получить более компактные линзы, следовательно, и проектируемая метаповерхность также будет небольших размеров. Кроме того, такой профиль связывает параметр А с «кривизной» линзы, то есть чем больше А, тем более фокусируемая линза получается (2а).

После установления φ(x, y) необходимо выбрать какие именно ячейки на метаповерхности будут задействованы. Необходимо также учитывать и тот факт, что чем меньше частота, тем больше должна быть ячейка.

В исследовании была использована модель метаповерхности с 16-ью ячейками: прямоугольные кубоиды размером ∼ 4.3 х 4.3 х 8.6 мм, спроектированные для максимальной передачи (∼ 97% входного звука) при f₀ ± Δf_2dB = 40 ± 1 кГц. Самый простой способ применить такую модель при другой частоте (f) это масштабирование: изменять размер каждого кубоида, пока его толщина не будет равна новой длине волны λ=с₀/f (где с₀ ∼ 343 м/с — скорость звука в воздухе).

При новой частоте каждая из ячеек применяет одинаковую фазовую задержку в диапазоне 0…2π, при этом все они обладают той же пропускной способностью, что и при f₀.

Ученые отмечают, что кубоид, спроектированный под f₀, обладает той же передачей и при других частотах (2b). Эти частоты определяются следующим образом:

f_j = f₀ — j ⋅ c₀/L_eff

где j = 0, 1, 2… N — целое число, L_eff — расчетный параметр конкретной ячейки, N = round(L_eff/λ₀) — (целое) число раз, когда L_eff содержит длину волны.

Из этого следует, что с ячейками можно работать при одной из частот f_j (2с), поддерживая передачу сопоставимую с той, что есть при f₀.

Во время испытаний была использована частота f₀ = 5,600 Гц. Эта частота соответствует длине волны в 6 см. Выбрана она была исключительно ввиду технических ограничений (3d-принтер не мог напечатать ячейки большего размера). Но, по словам ученых, учитывая масштабируемость их модели, это ограничение во время тестов не влияет на выводы.

Было использовано два типа линз:

• Тип А получен путем масштабирования ячеек, так что их первый резонанс (j = 0) составляет 5,6 кГц, а толщина эквивалентна λ₀ (то есть 60 мм). Каждая из линз этого типа состоит из массива ячеек 8х8, а общий размер составляет 240х240х60 мм (1а, слева). Пропускная способность линз составляет 2 ⋅ Δf_2dB ∼ 0. 05 ⋅ f₀.
• Тип В получен путем масштабирования ячеек, так что их второй резонанс равен 5,600 Гц. Каждая из линз этого типа состоит из массива ячеек 10х10, а общий размер составляет 104х104 мм с толщиной в 20.8 мм (1а, справа). Пропускная способность типа В также достаточно велика. Расчеты показали, что она составляет 2 ⋅ Δf_2dB ∼ 0,28 ⋅ f₀. Основным минусом линз типа В является следующее: учитывая, что 16-ячеечная модель охватывает только часть фазового пространства, то с помощью объектива фиксированного размера можно реализовать только ограниченное количество фокусных длин.

На графике выше мы можем увидеть результаты моделирования, которые показывают, что в случае применения линзы 10х10 максимальное фокусное расстояние составит 57 мм. То есть, для увеличения фокусного расстояния необходимо увеличивать линзу.

Основные моменты проектирования метаповерхности нам стали понятны. Теперь мы перейдем к описанию того, как все это было реализовано на практике в виде прототипов.

Акустический коллиматор

Исследователи, учитывая вышеописанные достижения, смогли создать акустический коллиматор — систему, корректирующую геометрическую расходимость источника, в результате чего на выходе звук пространственно представлен в виде луча. Проще говоря, звук не распространяется куда ему вздумается, а формирует целенаправленный луч.

На снимке выше показано как распространяется звук без метаматериала (синее поле) и с метаматериалом (красное поле).

В оптике коллиматоры используются и в маяках для проекции света на большие расстояния, и в производстве прожекторов. В таких устройствах линза расположена на расстоянии от источника света, равном фокусному расстоянию устройства, за счет чего падающая волна превращается в параллельный луч.

В случае с акустическим коллиматором метаматериальная линза типа А располагалась на расстоянии в 150 ± 2 мм от источника звука.

Изображение №3: показатели работы акустического коллиматора и схема установки.

График 3а на изображении выше показывает, что акустическое давление, измеренное на разном расстоянии от источника звука, значительно больше при наличии линзы, чем без нее. Угловое излучение, измеренное на расстоянии 4,24 м, показывает, что угол расхождения динамика (источника звука) за счет линзы уменьшился с 60° ± 1° до 27° ± 1° (3b).

Также ученые отмечают, что линза из метаматериала изменила качество звучания используемого в экспериментах дешевого динамики. При этом тесты под открытым небом показали значительное увеличение расстояния восприятия звука: без акустического коллиматора — 10 м, с коллиматором — 40 м.

Ученые предполагают, что угол расхождения можно сделать еще меньше, если более точно отрегулировать расстояние между динамиком и акустической линзой (коллиматором).

Как же можно применить акустический коллиматор в жизни? У разработчиков сего устройства есть несколько вариантов:

• Персонализация звука — проецирование звука исключительно в определенные зоны кинозала (3с); разные акустические сигналы в зависимости от положения в пространстве (VR-гарнитура); создание разных звуковых зон (например, 3 человека сидят на диване и каждый слушает свое, не мешая другим).
• Увеличение производительности акустических систем — на концертах и в кинотеатрах всегда стараются оптимизировать звучание так, чтобы всем все было слышно, однако есть часть аудитории, где звук «неполноценный». На изображении 3d показаны 2 динамика, симметрично направленные в разные стороны. При таком положении возникает зазор, где звук будет плохой, грубо говоря. Использовав акустический коллиматор, установленный в этом зазоре, можно это исправить.
• Улучшение пространственной чувствительности акустических датчиков.

Акустическая лупа

Изображение №4: схема и фото установки акустической лупы.

Всем нам знаком неотъемлемый атрибут образа детектива — лупа или увеличительное стекло. Мы смотрим через лупу на что-то и видим этот объект в увеличенном виде. То же самое происходит и со звуком, если применить акустическую лупу. В тестовой установке (4а) ученые разместили между микрофоном и динамиком метаматериал (лупу). Положение лупы было отрегулировано до достижения максимального сигнала, получаемого микрофоном. За счет этого слабый звук усиливается.

Сферы применения акустической лупы также не ограничены одним вариантом:

• Изменение положения источника — на схеме 4b показан пример: мужчина сидит на диване перед телевизором со встроенным динамиком. Если применить акустическую лупу, то создается ощущение будто динамик находится прямо перед ним.
• Расширение возможностей тактильных устройств (ощущение прикосновения в воздухе, видео ниже). Подобные технологии напрямую связаны со звуком, однако ограничены в максимальном расстоянии между «виртуальным» объектом и его генератором. Акустическая лупа может это расстояние увеличить.

Тактильные технологии создают ощущение прикосновения за счет звука.

• Улучшение приема звука — акустическая линза может изменить пространственные характеристики микрофона. На изображении 4d показано использование акустической лупы для фокусировки внимания на определенном объекте, окруженном множеством других. Проще говоря, такая лупа позволит слушать только то, что необходимо вам, отсеяв все сопутствующие и фоновые шумы.
• Выравнивание уровня звука из разных источников. Представьте, что вы беседуете с двумя людьми в большом помещении. Один собеседник стоит рядом, второй — далеко. Акустическая лупа позволила бы слышать вам обоих собеседников одинаково, будто они оба стоят на одном расстоянии от вас (визуальный пример на изображении 4е).

Акустический телескоп

Телескопы нужны для изучения того, что находится очень далеко. Банальное и утрированное утверждение, но от того оно не теряет своей правдивости. Телескопы работают за счет двух линз, расположенных на определенном расстоянии друг от друга. Акустический телескоп также использует подобный принцип.

Выше представлено фото установки акустического телескопа: две линзы из метаматериала, расстояние между которыми можно изменять с точностью до 1 мм, и динамик.

Основное преимущество телескопа в том, что он может обойти ограничение фокусного расстояния одной линзы, ибо используется две, а возможность изменять расстояние между ними позволяет изменять и фокусное расстояние.

Изображение №5: установка акустического телескопа и пример применения.

На практике акустический телескоп позволяет услышать звук, исходящий с большого расстояния, и вычленить его из множества других звуков. На изображении 5b показано, что акустический телескоп позволяет услышать человека в толпе на большом расстоянии. Подобные вещи мы могли наблюдать в шпионских фильмах.

Для более детального ознакомления с нюансами исследования настоятельно рекомендую заглянуть в доклад ученых, доступный по этой ссылке или этой.

Эпилог

Суммируя вышесказанное, исследователи смогли создать простое и эффективное устройство, позволяющее манипулировать звуком. Сфокусировать звук в одной точке, выровнять уровень звука из двух источников, вычленить определенный звук, отсеяв шумы, усилить звук — все это можно сделать посредством линзы из метаматериалов, больше похожей на вентиляционную заглушку или форму для выпекания вафель.

Данный труд демонстрирует, что точное понимание природы явления, физического, химического или биологического, позволяет получить контроль над ним и изменять его свойства как того требует ситуация. Как именно будут применяться акустические линзы можно пока только гадать. Сами же ученые не собираются останавливаться на достигнутом и продолжат исследования, дабы совершенствовать свое детище.

Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас оформив заказ или порекомендовав знакомым, 30% скидка для пользователей Хабра на уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps от $20 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps до лета бесплатно при оплате на срок от полугода, заказать можно тут.

Dell R730xd в 2 раза дешевле? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?