Что, если бы вы могли слушать музыку или подкаст без наушников, не мешая окружающим? Или вести приватный разговор в общественном месте так, чтобы вас не слышали другие люди?
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 посылать звук, который становится слышен только в определённом месте, может изменить развлечения, общение и пространственное восприятие звука.
Что такое звук?
Звук — это вибрация, распространяющаяся по воздуху в виде волны. Эти волны возникают, когда объект движется вперёд-назад, сжимая и разжимая воздух (смещая его молекулы).
Частота этих колебаний определяет высоту тона. Низкие частоты соответствуют глубоким звукам, как у большого барабана; высокие частоты соответствуют резким звукам, как у свистка.
Контролировать распространение звука сложно из-за явления, называемого дифракцией, — тенденции звуковых волн распространяться во все стороны по мере их движения. Этот эффект особенно силён для низкочастотных звуков из-за их большой длины волны, вследствие чего практически невозможно ограничить распространение звука определённой областью.
Некоторые аудиотехнологии, такие как акустические системы с параметрическими массивами, позволяют создавать сфокусированные звуковые пучки, направленные в определённую 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 — это звуковые волны с частотой выше диапазона человеческого слуха, выше 20 кГц. Эти волны проходят через воздух, как обычные звуковые волны, но люди их не слышат. Поскольку ультразвук может проникать через многие материалы и взаимодействовать с объектами уникальным образом, он широко используется для медицинской визуализации и во многих промышленных приложениях.
В нашей работе мы использовали ультразвук в качестве носителя слышимого звука. Он может бесшумно перемещать звук в пространстве, становясь слышимым только в нужный момент. Как мы этого добились?
Обычно звуковые волны комбинируются 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 месте.
Очень важно, что мы разработали ультразвуковые лучи, которые могут самостоятельно изгибаться. Обычно звуковые волны распространяются по прямым линиям, 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 контролируя фазу ультразвуковых волн, мы создаём изогнутые звуковые траектории, которые могут обходить препятствия и встречаться в определённом месте.
Ключевым явлением в работе является так называемая генерация разностной частоты. Когда два ультразвуковых луча с разной частотой, 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 находится в пределах человеческого слуха. Звук можно услышать только там, где лучи пересекаются. За пределами этого пересечения ультразвуковые волны остаются «тихими».
Это означает, что вы можете передавать звук в определённое место – например, одному человеку, не беспокоя других людей.
Усовершенствованный контроль звука
Возможность создания аудиоанклавов открывает нам множество потенциальных применений.
Аудиоанклавы могли бы подарить нам персонализированное аудио в общественных местах. Музеи, к примеру, могли бы обеспечивать посетителей аудиогидами без необходимости носить наушники, а в библиотеках студенты могли бы слушать аудиоуроки, не мешая остальным.
Пассажиры в автомобиле могли бы слушать музыку, не отвлекая водителя, чтобы тот мог слушать инструкции навигатора. Офисы и военные учреждения выиграли бы от создания локализованных переговорных зон для конфиденциального общения. Аудиоэнклавы можно было бы приспособить для устранения шума в определённых местах, создав тихие зоны для улучшения концентрации на рабочих местах или уменьшив звуковое загрязнение городов.
Подобная технология не появится на полках магазинов в ближайшем будущем. К примеру, у неё ещё остаются проблемы. Нелинейное искажение может влиять на качество звука. Ещё одна проблема – энергоэффективность. Преобразование ультразвука в слышимый звук требует использования высокоинтенсивных полей, на создание которых может тратиться много энергии.
Несмотря на эти препятствия, аудиоанклавы обеспечивают нам фундаментальный сдвиг в области контроля звука. Переопределяя взаимодействие звука с пространством, мы открываем новые возможности для иммерсивного, эффективного и персонализированного восприятия аудио.
