Что если бы вы могли слушать музыку или подкаст, не используя наушников, и при этом не мешать окружающим? Или вести приватный разговор в общественном месте, который будет слышен только вам? Недавнее исследование группы ученых из Университета штата Пенсильвания представило технологию, которая позволяет создавать слышимые анклавы — локализованные звуковые области, которые можно услышать только в определенном месте.
Что такое звук?
Звук — это вибрация, распространяющаяся по воздуху в виде волн, вызываемых движением объектов. Частота этих вибраций определяет высоту звука: низкие частоты создают глубокие звуки, а высокие — резкие и острые. Однако управлять распространением звука сложно из-за явления, называемого дифракцией — процессом, при котором звуковые волны «расползаются» в пространстве. Это особенно заметно для низкочастотных звуков, что делает трудным локализовать звук в конкретной области.
Существующие технологии, такие как параметрические громкоговорители, могут создавать направленные звуковые лучи, но их звук по-прежнему слышен по пути, пока он не достигнет точки назначения.
Как работают звуковые анклавы?
Мы нашли новый способ передачи звука именно в одно определенное место, используя самоизгибающиеся ультразвуковые лучи и концепцию, называемую нелинейной акустикой. Ультразвук — это звуковые волны с частотами выше 20 кГц, которые находятся за пределами слышимости человеческого слуха, но также способны передавать энергию через воздух и взаимодействовать с объектами особым образом.
В нашем исследовании мы использовали ультразвук как носитель слышимого звука. Звуки на обычных частотах становятся слышимыми только в том месте, где пересекаются два ультразвуковых луча. Эти лучи не слышны сами по себе, но при столкновении в определенной точке они генерируют новую волну, которая уже находится в слышимом диапазоне. Это явление называется генерацией разностной частоты: два ультразвуковых луча с немного отличающимися частотами создают звук на разнице этих частот. Например, лучи с частотами 40 кГц и 39,5 кГц создадут слышимый звук на частоте 500 Гц.
Преломление звука и управление его направлением
Технология использует акустические метаповерхности, которые позволяют управлять движением ультразвуковых волн, «изгибая» их путь, подобно тому, как оптические линзы преломляют свет. Это дает возможность контролировать, где именно в пространстве пересекаются эти ультразвуковые лучи и где появляется слышимый звук.
Это открывает перспективы для создания звуковых анклавов, которые можно услышать только в строго определенной области, не мешая окружающим. Например, можно «породить» звук прямо в ушах одного человека, находящегося в толпе, не беспокоя других.
Потенциальные применения
Эта технология имеет огромный потенциал в различных сферах:
- Общественные места: Музеи и выставки могут предоставлять персонализированные аудиогиды без необходимости в наушниках, а библиотеки — аудиоуроки для студентов, не мешая окружающим.
- Автомобили: Пассажиры могут слушать музыку или получать навигационные указания, не отвлекая водителя.
- Конфиденциальные разговоры: В офисах и военных учреждениях можно проводить приватные беседы, не беспокоя других.
- Тихие зоны: Технология может создать специальные зоны для улучшенной концентрации в рабочих местах или в общественных пространствах, уменьшая уровень шума.
Проблемы и вызовы
Несмотря на огромный потенциал, перед этой технологией стоят несколько препятствий. Во-первых, нелинейные искажения могут повлиять на качество звука, а во-вторых, энергоэффективность — преобразование ультразвука в слышимый звук требует создания интенсивных звуковых полей, что может быть энергоемким процессом.
Тем не менее, звуковые анклавы представляют собой революционный подход к управлению звуком и могут радикально изменить способы, которыми мы взаимодействуем с аудиоконтентом. Эта технология открывает новые возможности для более персонализированного, эффективного и захватывающего восприятия звука в нашем окружении.
Больше интересного – на медиапортале https://www.cta.ru/