Новая акустическая метаповерхность позволяет слушать музыку только одному человеку

Ученые из Пенсильванского государственного университета разработали новую технологию передачи персонального звука без использования наушников. Исследователи создали систему, формирующую крошечную «звуковую пузырьковую зону», в пределах которой аудио может слышать только человек, находящийся рядом с источником. Разработка может изменить способы прослушивания музыки в общественных местах, просмотра видео в автомобилях и взаимодействия с цифровыми терминалами.

В основе системы лежит акустическая метаповерхность, напечатанная на трехмерном принтере. Устройство направляет звуковые волны в ограниченную область размером чуть больше 2,5 сантиметра. За пределами этой узкой зоны звук быстро затухает и становится практически неслышным.

Обычные динамики распространяют звук во всех направлениях. Даже направленные аудиосистемы часто не обеспечивают полной конфиденциальности, поскольку звук отражается от стен и других поверхностей. Кроме того, существующие параметрические массивы громкоговорителей плохо справляются с воспроизведением глубоких басов.

Аспирант-акустик и ведущий автор исследования Чи Ву Кевин Ким отметил, что современные системы работают эффективно только в контролируемых условиях, но сталкиваются с трудностями в обычных помещениях. По его словам, направленные звуковые лучи после контакта с поверхностями начинают отражаться по комнате, что снижает уровень приватности и ухудшает качество звучания, особенно при воспроизведении музыки с насыщенными низкими частотами.

Для решения этой проблемы команда использовала акустические метаповерхности — специальные инженерные материалы, способные управлять распространением волн благодаря точно рассчитанной структуре. Такие поверхности можно изготавливать с помощью стандартных трехмерных принтеров.

Профессор акустики Юнь Цзин объяснил, что метаповерхность работает подобно линзе. Она изменяет распространение звуковых волн таким образом, чтобы после выхода из динамика они сходились в одной точке. Это позволяет сфокусировать звук в строго определенной области.

Ранее лаборатория Цзина уже проводила эксперименты с несколькими массивами ультразвуковых динамиков для создания приватной зоны прослушивания. Однако такие системы требовали сложной обработки сигнала и потребляли больше энергии.

Новая конструкция оказалась значительно проще. Напечатанная на трехмерном принтере метаповерхность пассивно изгибает звуковые волны в фиксированную точку фокусировки и не нуждается в дополнительной электронике или сложном управлении сигналом.

Исследователи прикрепили круговую метаповерхность диаметром примерно 15 сантиметров к массиву ультразвуковых динамиков. Во время испытаний система формировала точку прослушивания примерно в 10 сантиметрах от источника звука.

Команда воспроизводила электронную музыку с выраженными басовыми частотами и перемещала микрофон вокруг области фокусировки. Внутри целевой зоны микрофон фиксировал чистое и четкое звучание. При смещении всего на несколько сантиметров уровень звука падал почти на 50 децибел.

Система также продемонстрировала более качественную работу с низкими частотами по сравнению со многими существующими направленными динамиками. Испытания показали, что технология способна воспроизводить звук на частотах до 38 герц, что близко к нижнему пределу человеческого слуха.

По словам Кима, эта особенность может помочь производителям создавать более компактные аудиосистемы без потери качества звучания.

Авторы исследования считают, что технология имеет широкий коммерческий потенциал. Ее можно использовать в общественных терминалах, банкоматах и билетных автоматах для передачи персональных инструкций без наушников. В автомобилях система позволит пассажирам одновременно слушать разные аудиопотоки, не мешая друг другу.

Ким также отметил, что метаповерхность можно дешево производить с помощью пластиковых форм или трехмерной печати, что упрощает масштабирование технологии для массовых потребительских устройств.