Представьте, что вы можете слушать музыку или подкаст без наушников, не мешая окружающим, или вести приватный разговор в многолюдном месте, уверенные, что ваш голос услышит только тот, кому он предназначен. Учёные разработали новую технологию, названную «звуковыми пузырями», которая может сделать это реальностью, создавая локализованные «карманы» звука, изолированные от окружающей среды.
Почему трудно направить звук в конкретное место?
Направление звука в определённое место — сложная задача из-за природы звуковых волн. Когда вибрации распространяются по воздуху, они рассеиваются, особенно на низких частотах. Это явление, называемое дифракцией, затрудняет ограничение звука в одной области, особенно если речь идёт о басовых тонах. Изоляция звуковых частот становится ещё более сложной задачей.
Существующие инструменты, такие как параметрические массивы громкоговорителей, могут фокусировать звуковые вибрации в определённой точке. Однако те, кто находится на пути этого «звукового луча», всё равно могут услышать передачу. Современные технологии пока не позволяют ограничить звук только целевым местом.
Как учёным удалось достичь полной звуковой изоляции?
Исследователи из Пенсильванского университета и Национальной лаборатории Лоуренса Либермора использовали ультразвук и нелинейную акустику, чтобы «изгибать» звуковые волны и создавать слышимые вибрации, которые возникают только в определённом месте.
Ультразвук, находящийся на частоте 20 кГц и выше, неслышим для человеческого уха. Большинство людей знакомы с его применением в медицинской визуализации. Однако ультразвук ведёт себя так же, как и слышимый звук, подчиняясь тем же принципам и возможностям манипуляции волнами. Исследователи использовали эти свойства, чтобы совершить прорыв: они создали «звуковые пузыри», используя ультразвук в качестве носителя для более низких частот. Поскольку ультразвук распространяется «беззвучно», он может доставлять слышимые звуки в нужное место, оставаясь неслышимым для всех, кроме целевой аудитории.
Для этого исследователи использовали два ультразвуковых луча с немного разными частотами. Когда лучи пересекаются, происходит явление, называемое генерацией разностной частоты, которое создаёт слышимый звук.
«Когда два ультразвуковых луча с немного разными частотами, например, 40 кГц и 39,5 кГц, пересекаются, они создают новую звуковую волну на разнице их частот — в данном случае 0,5 кГц или 500 Гц, что находится в пределах слышимости человека», — объяснили авторы исследования. «Звук можно услышать только там, где лучи пересекаются. Вне этой точки ультразвуковые волны остаются неслышимыми».
Самоизгибающиеся ультразвуковые лучи
Ещё одно ключевое новшество исследования заключается в способности ультразвуковых лучей самоизгибаться. Используя акустические метаповерхности, исследователи могут контролировать путь ультразвуковых вибраций, эффективно изгибая лучи вокруг препятствий и заставляя их пересекаться в определённой точке.
«Важно отметить, что мы разработали ультразвуковые лучи, которые могут изгибаться самостоятельно. Обычно звуковые волны движутся по прямой линии, если что-то не блокирует или не отражает их. Однако, используя акустические метаповерхности — специальные материалы, которые манипулируют звуковыми волнами, — мы можем формировать ультразвуковые лучи так, чтобы они изгибались в процессе движения. Подобно тому, как оптическая линза изгибает свет, акустические метаповерхности изменяют форму пути звуковых волн. Точно контролируя фазу ультразвуковых волн, мы создаём изогнутые звуковые пути, которые обходят препятствия и встречаются в конкретной целевой точке».
Применение технологии
Исследователи утверждают, что «звуковые пузыри» имеют широкий спектр применения. Самое очевидное — это отказ от наушников во многих ситуациях. Например, музеи могли бы предлагать персонализированные аудиогиды, которые следуют за отдельными посетителями. Пассажиры автомобилей могли бы слушать музыку, не мешая водителю слышать навигационные инструкции. Технология также может предоставить корпоративным и военным организациям альтернативный способ безопасного общения.
Ограничения и будущее развитие
Авторы признают, что, несмотря на потенциал технологии, она всё ещё находится на ранней стадии разработки, и перед её коммерческим внедрением необходимо преодолеть множество вызовов. Нелинейные искажения могут влиять на качество звука, а генерация высоких уровней интенсивности ультразвуковых полей, необходимых для «звуковых пузырей», может быть энергоёмкой. Исследователи работают над этими проблемами, чтобы сделать технологию более эффективной и практичной для повседневного использования.
Ещё по теме:
- Франция и Германия представили Docs — собственную альтернативу «Документам» Google
- Apple представила первый трейлер сериала «Карем: Повар королей»
- В сети опубликовали фото второго прототипа консоли Nintendo PlayStation
