Представьте вагон поезда, где каждый пассажир может смотреть фильм или слушать объявления без наушников — и при этом человек, сидящий рядом, практически ничего не слышит. Или музей, в котором достаточно подойти к конкретному экспонату, чтобы услышать предназначенный именно для него аудиокомментарий.
Похоже, такая система уже перестаёт быть фантастикой. Исследователи из Университета науки и технологий Пхохана (POSTECH) в Южной Корее разработали необычный громкоговоритель MiPAL, способный направлять звук в сторону конкретного слушателя. Главное отличие от существующих систем — для этого ему не требуется сложная панель из десятков или сотен ультразвуковых излучателей.
Почему обычный звук невозможно направить как луч света
Со светом всё относительно просто: луч можно сфокусировать линзой и направить практически точно в нужную область пространства. Звуковые волны ведут себя иначе — они естественным образом распространяются во многих направлениях.
Создать узконаправленный источник звука можно с помощью так называемых параметрических акустических решёток (Parametric Array Loudspeakers, PAL). Они используют ультразвук, который человеческое ухо не воспринимает. Два ультразвуковых сигнала взаимодействуют в воздухе благодаря его нелинейным свойствам, и в результате возникает новая волна с частотой, соответствующей уже слышимому звуку. Такой подход позволяет сформировать очень узкий звуковой луч. Однако традиционные PAL-системы обычно требуют большого количества ультразвуковых излучателей, работающих согласованно. Это увеличивает стоимость, размеры и сложность конструкции.
Корейские исследователи решили пойти другим путём: вместо того чтобы собирать сложную систему из множества элементов, они встроили управление волнами непосредственно в конструкцию одного излучателя.
Как работает MiPAL
В основе MiPAL лежит пьезоэлектрический ультразвуковой излучатель, объединённый сразу с двумя типами метаматериалов. Название системы расшифровывается как Metamaterials-integrated Parametric Array Loudspeaker — параметрический громкоговоритель с интегрированными метаматериалами.
Первый элемент — акустическая метаповерхность, расположенная перед излучающей пластиной. По сути, это своеобразная акустическая линза. Она состоит из специально рассчитанных структур, которые изменяют фазу и направление распространяющейся ультразвуковой волны. Благодаря этому первоначально менее упорядоченное излучение преобразуется в узкий, практически коллимированный луч.
Но здесь возникает другая проблема. Сам излучатель при работе начинает вибрировать. Часть этих механических колебаний может возбуждать нежелательные низкочастотные моды конструкции, из-за чего слышимый звук начинает распространяться не только вперёд, но и в стороны. В результате получается утечка звука, которую и пытаются устранить обычные системы из множества излучателей.
MiPAL использует для этого второй тип метаматериала — упругие метаэлементы. Они работают как своеобразные механические фильтры: подавляют определённые паразитные вибрации конструкции и тем самым уменьшают боковое распространение звука. Получается интересная комбинация: одна часть конструкции формирует узкий ультразвуковой луч, а другая не позволяет самому излучателю «раскачивать» пространство вокруг себя.
Один излучатель вместо сотен
Именно здесь заключается главное преимущество разработки. Традиционные параметрические акустические системы используют фазированные решётки из десятков или даже сотен ультразвуковых излучателей. Каждый из них необходимо согласованно управлять, что делает систему дорогой и сложной.
MiPAL объединяет излучатель и оба типа метаматериалов в единую компактную конструкцию. Исследователи называют такой подход более простым, дешёвым и гибким. При этом речь идёт не просто о компьютерной симуляции: команда изготовила физический прототип и проверила его характеристики экспериментально.
Особенно интересно, что устройство работает не в узкой полосе частот. Экспериментальный образец формировал направленный слышимый звук в диапазоне от 500 Гц до 10 кГц — это более четырёх октав и значительная часть спектра обычной речи и музыки.
В экспериментах исследователи проверяли работу системы и с речевыми сигналами, и с реальными аудиозаписями. Для демонстрации возможного применения они моделировали расположение слушателей, похожее на кресла в самолёте. Добавление упругих метаэлементов заметно уменьшало боковые звуковые утечки.
Наушники всё-таки не исчезнут — но могут стать менее необходимыми
У технологии есть вполне практичные сценарии применения. Например, в самолёте или поезде каждый пассажир потенциально сможет получать собственный аудиопоток: один смотрит фильм, другой слушает музыку, третий получает информацию о маршруте. При этом физически надевать наушники не обязательно.
В музеях принцип может работать ещё интереснее. Перед каждым экспонатом можно установить направленный динамик, который создаёт небольшую «зону прослушивания». Посетитель подходит к произведению искусства — и слышит комментарий. Отойдя к соседнему экспонату, он попадает уже в другую звуковую зону.
Подобный подход может пригодиться и в выставочных центрах, транспорте, интерактивных инсталляциях и системах пространственного или дополненного звука. POSTECH отдельно отмечает перспективность технологии для иммерсивного аудио и XR-систем.
При этом важно понимать: MiPAL пока является исследовательским прототипом, а не готовым бытовым устройством. Эксперименты демонстрируют принцип и перспективность конструкции, но до массового применения необходимо решить ещё немало инженерных задач.
Метаматериалы делают конструкцию гибкой
Ещё одна любопытная особенность MiPAL — возможность относительно быстро менять геометрию его метаматериалов. Такие структуры можно изготавливать методом 3D-печати, поэтому конструкцию проще адаптировать под конкретные условия: расстояние до слушателя, требуемый угол распространения луча или особенности помещения.
Это особенно важно для транспорта. Геометрия салона самолёта сильно отличается от вагона поезда или автомобильного салона, а в музее вообще можно проектировать систему непосредственно под расположение экспонатов. Фактически исследователи предлагают не универсальный «динамик, который стреляет звуком», а своего рода конструктор для создания индивидуальных звуковых зон.
Следующий шаг — персональный звук без наушников
Главное достижение MiPAL заключается не в самой идее направленного звука — подобные технологии существовали и раньше. Прорыв здесь в том, что сложную систему попытались превратить в компактный и относительно простой элемент.
Исследование команды POSTECH опубликовано в Nature Communications. Авторы считают, что объединение метаматериалов непосредственно с ультразвуковым преобразователем может открыть путь к более доступным системам направленного аудио.
Если технология действительно доберётся до коммерческих устройств, привычное представление о персональном аудио может измениться. Вместо того чтобы доставлять звук к ушам с помощью наушников, можно будет направлять его в определённую область пространства — причём настолько точно, чтобы соседний человек оставался за пределами звуковой зоны.
До мира, где каждый пассажир самолёта получает собственный невидимый аудиоканал, ещё есть дистанция. Но MiPAL показывает, что такой сценарий уже можно реализовывать не только на экране научно-фантастического фильма, но и в настоящем физическом устройстве.
