Ультразвуковая акустика даёт возможность транслировать музыку в определённом направлении, не мешая окружающим

Исследователи из Похангского университета науки и технологий (POSTECH) разработали акустическую систему, способную направлять звук конкретному человеку в комнате.

Свет от фонарика или лазера распространяется по прямой, тогда как звук легко распространяется во всех направлениях. Вопрос «можно ли, как и свет, направлять звук только туда, куда мы хотим?» привёл к созданию командой высоконаправленного динамика MiPAL. Модулируя ультразвук с помощью слышимого сигнала, система может передавать звук только в пределах целевой зоны. Типичным примером такой технологии является параметрическая матричная акустическая система (PAL), которая использует нелинейное взаимодействие двух ультразвуковых волн в воздухе для генерации и концентрации слышимого звука в определённом направлении.

Традиционные системы, однако, требуют точного расположения и индивидуального управления десятками или сотнями ультразвуковых излучателей, что делает их дорогостоящими и конструктивно сложными. Более поздние конструкции PAL упростили аппаратное обеспечение. Тем не менее оставалась задача с вибрирующей диафрагмой, которая способна вызывать нежелательные режимы колебаний, приводя к утечке звука в сторону и снижая направленность.

Команда решила эту проблему, объединив два типа метаматериалов в одном ультразвуковом преобразователе. Спереди была установлена акустическая метаповерхность. Действуя как звуковая линза, она преобразует неравномерные фронты ультразвуковых волн, излучаемых диафрагмой, в прямой узкий пучок. В задней части были размещены упругие метаэлементы. Действуя скорее как звуковой барьер, они подавляют нежелательные колебания на определённых частотах и предотвращают утечку звука в стороны. Практически в этой конструкции используется двойная безопасность: она фокусирует звук в передней части и блокирует паразитные шумы в задней.

В результате одноэлементное девайс направляло звук в диапазоне частот от 500 Гц до 10 кГц — более четырёх октав, охватывающих значительную часть слышимого спектра. Исследователи также провели эксперимент, моделирующий ситуацию в салоне самолёта, где разнообразные объявления или музыка должны доходить до отдельных пассажиров, не мешая их соседям. После воспроизведения реальных сигналов вещания и музыки и измерения интенсивности звука под разными углами они отметили явное усовершенствование после добавления упругих метаматериальных элементов.

Метаматериальные структуры имеют модульную конструкцию и их можно напечатать на 3D‑принтере, что позволяет легко адаптировать девайс к разному расстоянию между сиденьями, углам наклона и другим условиям эксплуатации. После внедрения на рынок эта технология позволит пассажирам самолётов или поездов слушать персонализированные объявления или контент, не мешая соседу.