Изследователи от Penn State създадоха своеобразен „капак“ за високоговорител, който може плътно да фокусира звуковите вълни в малка точка в пространството, подобно на лупа, фокусираща светлинен лъч. Така озвучаването се чува на точно определено място. Най-хубавото – устройството се отпечатва на 3D принтер.
Любителите на музиката може един ден да могат да слушат любимите си изпълнители без слушалки, без да ядосват съседите или колегите си, благодарение на изследователи от Penn State. Екипът е проектирал система, която може да манипулира звуковите вълни, така че да се чуват само на точно определено място.
Въпреки, че фокусната точка може да е изключително малка – едва 2-3 сантиметра – тази система може да произвежда висококачествен звук, потенциално предлагайки на слушателите ясно, но същевременно лично звуково изживяване.
Защо настоящият фокусиран звук не върши работа
Звуковите вълни традиционно се разпространяват навън от източника си, обясни Джи У Кевин Ким, докторант по акустика и водещ автор на статията. Параметричните антенни високоговорители използват ултразвукови вълни с висока интензивност, за да фокусират чуваемия звук в тесен, подобен на лазер звуков лъч.
Въпреки че тези решетки се използват в пространства като музеи и радиостанции за дискретно предаване на звук, те си имат своите проблеми, които затрудняват приложението им извън тези специализирани среди.
„Тези решетки са толкова насочени, че след като звуковият лъч влезе в контакт с повърхност, звукът може да се отрази в цялата стая, компрометирайки поверителността“, каза Ким. „Освен това те се затрудняват да произвеждат ниски честоти, което може да отнеме от преживяването при слушане на музика с много басови тонове, например.“
Метаповърхности
Юн Джинг, професор по акустика и съответен автор на статията, каза, че акустичните метаповърхности могат да решат този ключов проблем. Метаповърхностите са клас материали, които могат да манипулират вълните – включително светлина, звук, топлина и други – само с тънките си структури.
Джинг обясни как акустичните метаповърхности, използвани за манипулиране на звукови вълни, могат лесно да бъдат отпечатани на 3D принтер и са използвани за насочване на специфични звуци, например при високоговорители.
„За да разработим акустична метаповърхност, ние използваме голяма повърхност, която работи подобно на леща, фокусираща светлинен лъч“, каза Джинг, който има допълнителна специалност биомедицински инженеринг. „Повърхността модулира звуковите вълни по такъв начин, че те се събират в централна точка, след като напуснат високоговорителя, което ни позволява да фокусираме звука в точно определена област“.
Предишна работа от лабораторията на Джинг е огъвала ултразвукови вълни, произведени от два високоговорителя, създавайки частен „аудио-анклав“ с около 60 децибела. Той обаче обясни, че този подход изисква множество масиви от PAL-ове, а генерирането на чуем звук от ултразвук е сравнително неефективно.
Нов подход с пасивна метаповърхност
Новата метаповърхност на екипа може пасивно да фокусира звукови вълни, без да е необходима сложна обработка на сигнала или електричество. 3D-отпечатаното покритие може да насочи звука, произведен от високоговорителите, в стегнат „балон“, който се чува само в пространство с ширина малко по-голяма от 3 см. и височина по-малка от 2 см. – приблизително колкото лентичка дъвка.
„Използвайки този дизайн, нашата фокусна точка е фиксирана в пространството, но пасивният характер на компонента ни позволява значително да намалим разходите за производство и внедряване на акустичната метаповърхност“, обясни Джинг.
За да тестват дизайна си, екипът симулира и провери производителността на метаповърхностната леща, преди да отпечатат компонента чрез 3D печат. След това те приложили кръглата метаповърхност върху серия PAL-ове, сглобени в масив, което генерира фокусна точка на около четири инча от високоговорителя. Екипът пускал електронна музика с наситен бас, като бавно движел микрофон във и извън фокусната точка, за да тества качеството на звука и ограничаването на звука.
Висока прецизност
Резултатът? Във фокусната точка микрофонът записвал ясен, висококачествен звук. Преместването на микрофона само на 10 см. встрани от фокусната точка драстично намалило силата на звука с до 50 децибела.
Освен това, аудио, произведено от PAL системи, използващи акустичните метаповърхности на екипа, демонстрира впечатляващо качество на звука както във високите, така и в ниските честоти, което традиционно е било трудно за фокусиране във фокусна точка.
Тестовете показаха, че PAL системите могат ефективно да проектират честоти до 38 Hz, около най-дълбокия и най-нисък диапазон на човешкия слух, нещо, което традиционно изисква обемисти субуфери. Според Ким, това може да бъде важна стъпка в производството на по-малки озвучителни системи, които поддържат качеството на звука.
Потенциални приложения
Отвъд слушането на музика в личен „аудио-кът“ технологията има много приложения. „Акустичната метаповърхност е с диаметър около 15 см – приблизително с размерите на малка чиния – и може да се приложи директно върху повърхността на всеки PAL“, каза Ким. „Вярваме, че това има голям търговски потенциал, тъй като компаниите ще се нуждаят само от 3D принтер или пластмасова матрица, за да произвеждат масово тези компоненти“.
Екипът заяви, че според тях технологията може да бъде полезна навсякъде, където персонализираното, частно слушане би било от полза: банкомати, билетни терминали, търговски витрини, превозни средства.
