Фанаты плохой музыки теперь могут врубать любимые треки на всю, не опасаясь порицания со стороны окружающих — и не портить при этом уши наушниками. В Университете штата Пенсильвания изобрели акустическую линзу.
Разработка описана в журнале IEEE Transactions on Ultrasonics. Она представляет собой решетку особой формы, которая, будучи размешенной перед динамиком, фокусирует звуковые волны в узкую точку диаметром меньше дюйма — при этом ей не нужно питание.
Обычно звуковые волны расходятся от источника во все стороны, объясняет первый автор статьи Джи Ву Кевин Ким. Параметрические массивы громкоговорителей (parametric array loudspeakers — PAL) используют ультразвук высокой интенсивности, чтобы сжать слышимый звук в узкий, похожий на лазерный луч. Эти устройства уже применяются в музеях и студиях звукозаписи для ненавязчивой передачи аудиоинформации, но за пределами такой особой среды у них возникает масса проблем.
«Они настолько направленны, что стоит лучу столкнуться с какой-либо поверхностью — и звук отражается по всей комнате, так что о конфиденциальности можно забыть. К тому же они плохо воспроизводят низкие частоты, что портит впечатление от музыки с мощными басами, например», — говорит Ким.
Проблему могут решить метаповерхности, уверен профессор Юнь Цзин, руководивший исследованием. Так называют класс материалов, способных управлять волнами — световыми, звуковыми, тепловыми и прочими — за счет одной лишь своей тонкой структуры. Акустические метаповерхности легко печатать на 3D-принтере, и их уже широко используют, чтобы направлять звук в определенную сторону — например, в динамиках.
«Чтобы создать акустическую метаповерхность, мы берем большую плоскость, которая работает как линза, фокусирующая луч света. Эта плоскость модулирует звуковые волны так, что после выхода из динамика они сходятся в одной центральной точке. Так мы и фокусируем звук в нужную область», — показывает профессор.
Ранее его лаборатория разработала способ целенаправленной передачи звука в уши посредством пересечения ультразвуковых волн. Но тот метод требовал сразу двух PAL, да и преобразование ультразвука в слышимый звук было не очень эффективным.
Новая метаповерхность фокусирует звуковые волны пассивно — без сложной обработки сигнала и без электричества. Накладка, напечатанная на 3D-принтере, направляет звук от колонок в плотный «пузырь», слышимый только внутри зоны размером около трех сантиметров в ширину и меньше сантиметра в высоту.
«В нашей конструкции точка фокуса зафиксирована в пространстве, но пассивная природа компонента позволяет резко снизить затраты на производство и внедрение акустической метаповерхности», — подчеркивает Цзин.
В испытаниях колонку с PAL прикрыли акустической линзой, включили через нее электронную музыку с мощными басами и медленно двигали микрофон перед источником звука.
Внутри фокусной точки микрофон уловил чистый звук высокого качества. Но стоило сместить его на несколько сантиметров — и громкость резко падала, порой на 50 децибел.
Музыка, которую выдавали PAL с метаповерхностями, хорошо звучала и на высоких, и на низких частотах — именно с этим обычно бывают проблемы при фокусировке. Тесты показали, что такая акустическая система эффективно воспроизводит басы до 38 Гц — частоты, которая по плечу разве что громоздким сабвуферам.
«Акустическая метаповерхность — около 15 см в диаметре, где-то с небольшую тарелку, — и ее можно нанести прямо на поверхность любого PAL. Мы считаем, что у технологии огромный коммерческий потенциал — нужен только 3D-принтер или пресс-форма для массового выпуска таких компонентов», — заключает Ким.
Технология пригодится не только любителям плохой музыки, но и везде, где полезен персонализированный и приватный звук — в банкоматах, платежных терминалах, на витринах с информацией, а также в автомобилях, чтобы несколько человек могли одновременно слушать разные звуковые дорожки, не мешая друг другу.
Создан программируемый метаматериал, у которого больше состояний, чем атомов во Вселенной
«Умные» наушники позволят владельцам выбирать, какие звуки они хотят слышать
Подписывайтесь и читайте «Науку» в MAX