Исследователи из Пенсильванского государственного университета (Penn State) создали 3D-печатную акустическую метаповерхность, которая фокусирует звук от направленных колонок в очень маленькую зону — словно увеличительное стекло для звуковых волн. Человек, стоящий в этой «звуковой точке», слышит музыку или речь чётко и громко, а всего в нескольких сантиметрах от неё звук практически исчезает.
Технология предназначена для работы с параметрическими решётчатыми громкоговорителями (PAL) и решает две главные проблемы существующих систем направленного звука: отражения от поверхностей и слабое воспроизведение низких частот.
Как работает технология
Обычные колонки распространяют звук во все стороны. Параметрические решётчатые громкоговорители (PAL) уже умеют создавать узкий направленный пучок с помощью ультразвуковых волн, но у них есть недостатки: при отражении от стен звук «размазывается» по комнате, а низкие частоты (бас) воспроизводятся плохо.
Учёные добавили к PAL специальную 3D-печатную крышку — акустическую метаповерхность. Она работает как линза: модулирует звуковые волны так, что они сходятся в одной точке на расстоянии около 10 см (4 дюйма) от колонки. В этой крошечной зоне звук концентрируется, а за её пределами резко затухает.
В экспериментах микрофон, расположенный точно в фокусной точке, регистрировал чистый и качественный звук. При смещении всего на 5 см (2 дюйма) в сторону громкость падала до 50 децибел — звук становился практически неслышимым. При этом система уверенно воспроизводила низкие частоты вплоть до 38 Гц — глубочайший бас, который обычно требует больших сабвуферов.
«Мы используем большую поверхность, которая работает как линза, фокусирующая луч света, — объяснил Юн Цзин (Yun Jing), профессор акустики и соавтор исследования. — Метаповерхность модулирует звуковые волны так, что они сходятся в центральной точке после выхода из колонки».
Где это может пригодиться
Технология позволяет создавать персональные «звуковые пузыри» без наушников. Возможные применения — банкоматы и терминалы, где человек слышит инструкции только сам; торговые витрины и музейные экспонаты с индивидуальным аудиосопровождением; автомобили, в которых водитель и пассажиры могут слушать разную музыку или навигацию одновременно; а также любые общественные пространства, где важно сохранить приватность и снизить шумовое загрязнение.
В отличие от классических PAL, новая система лучше справляется с басом и меньше страдает от отражений, потому что звук сильно сконцентрирован в небольшой зоне.
Важное ограничение: крышка работает только с параметрическими решётчатыми громкоговорителями, которые уже генерируют узкий ультразвуковой пучок. На обычные всесторонние колонки она не подойдёт.
Исследование опубликовано в IEEE Transactions on Ultrasonics.
