Звуковой проектор на «акустических линзах» — разбираемся, как работает технология

Обсуждаем устройство для передачи направленного звука. Оно использует специальные «акустические линзы», а принцип его работы напоминает оптическую систему фотокамеры.

О разнообразии акустических метаматериалов

С различными метаматериалами, акустические свойства которых зависят от внутренней структуры, инженеры и ученые работают достаточно давно. Например, в 2015 году физикам удалось напечатать на 3D-принтере «акустический диод» — он представляет собой цилиндрический канал, пропускающий воздух, но полностью отражающий звук, поступающий только с одного направления.

Также в этом году американские инженеры разработали специальное кольцо, которое блокирует до 94% шума. Принцип его работы основан на резонансе Фано, когда энергия двух интерферирующих волн распределяется ассиметрично. Подробнее об этом устройстве мы рассказывали в одном из наших постов.

В начале августа стало известно о еще одной аудиоразработке. Инженеры из Университета Суссекса представили прототип устройства, которое с помощью двух метаматериалов («акустических линз») и видеокамеры позволяет фокусировать звук на определённом человеке. Девайс нарекли «звуковым проектором».

Как это работает

Перед источником звука (аудиоколонкой) располагаются две «акустические линзы». Эти линзы представляют собой напечатанную на 3D-принтере пластиковую пластину с большим количеством отверстий. Как выглядят эти «линзы» можно посмотреть в whitepaper от разработчиков на первой странице (нужно открыть полный текст документа).

Каждое отверстие «аудиолинзы» имеет уникальную форму — например, неровности на внутренних стенках. Когда через эти отверстия проходит звук, он меняет свою фазу. Поскольку расстояние между двумя «акустическими линзами» можно варьировать при помощи электромоторов, появляется возможность направить звук в одну точку. Процесс напоминает фокусировку оптики фотокамеры.

Фокусировка выполняется автоматически. Для этого используется видеокамера (стоимостью приблизительно 12 долларов) и специальный программный алгоритм. Он запоминает лицо человека на видео и отслеживает его перемещение в кадре. Далее, система рассчитывает относительное расстояние и соответствующим образом меняет фокусное расстояние проектора.

Где будут использовать

Разработчики отмечают, что в будущем система может заменить наушники — устройства будут транслировать звук на расстоянии прямо в уши пользователей. Еще одна из потенциальных областей применимости — музеи и выставки. Посетители смогут слушать лекции электронных гидов и не мешать другим. Разумеется, нельзя не отметить и рекламную сферу — можно будет сообщать об условиях персональных акций посетителям магазинов.

Но инженерам еще предстоит решить ряд проблем — пока что аудиопроектор способен работать лишь в ограниченном частотном диапазоне. В частности, он воспроизводит только ноты от G (соль) до D (ре) в третьей и седьмой октавах.

Резиденты Hacker News также видят потенциальные проблемы в правовом поле. В частности, придется регламентировать, кто и при каких условиях сможет получать персональные рекламные сообщения. Иначе в помещениях торговых центров начнется хаос. Как говорят разработчики «аудиопроектора», этот вопрос частично поможет решить система распознавания лиц. Она будет определять, давал ли человек свое согласие на получение подобных рекламных объявлений или нет.

В любом случае о практической реализации технологии «в поле» речи пока не идет.

Другие способы передачи направленного звука

В начале года инженеры из MIT разработали технологию передачи направленного звука с помощью лазера с длиной волны 1900 нм. Он безвреден для сетчатки глаза человека. Звук транслируется с помощью так называемого фотоакустического эффекта, когда водяной пар в атмосфере поглощает энергию света. Как результат, в точке пространства происходит локальное повышение давления. Возникающие колебания воздуха человек способен воспринимать «невооруженным ухом».

Разработками аналогичной технологии занимаются специалисты из Минобороны США. С помощью фемтосекундного лазера они создают в воздухе шар плазмы, и вызывают в нем звуковые колебания с помощью другого нанолазера. Правда, таким образом можно сгенерировать лишь грохот и неприятный шум, похожий на вой сирены.

Пока что эти технологии не вышли за пределы лабораторий, однако их аналоги начинают «проникать» в пользовательские устройства. В прошлом году компания Noveto уже представила аудиоколонку, которая создает на голове человека «виртуальные наушники» с помощью ультразвуковых волн. Поэтому массовое распространение технологии направленного звука — лишь вопрос времени.

О чем мы пишем в нашем «Мире Hi-Fi»:

Новый ультразвуковой сенсор позволит «послушать» бактерии — как он устроен
Разработан метод шумоизоляции, гасящий до 94% шумов — как он работает
Как кусочки пластика перемещают с помощью ультразвука и зачем это нужно
Как превратить ПК в радио, и другие способы извлечь музыку из выч. систем
Почему разные люди воспринимают одни и те же звуки по-разному
Шума стало много, шума будет мало: звуковая гигиена в городах
Почему кафе и рестораны стали такими шумными, и что с этим делать
Как превратить графики в звук, и зачем это нужно

Источник: habr.com