Учёные создали динамик, который направляет звук только одному слушателю

Исследователи из Пхоханского университета науки и технологий (POSTECH) разработали компактный акустический излучатель, способный направлять звук на конкретного слушателя и одновременно подавлять его распространение в стороны. Такая технология в перспективе может сделать персонализированный звук возможным в общественном транспорте, самолётах, музеях и других местах, где использование наушников не всегда удобно.

Устройство получило название MiPAL. В отличие от традиционных направленных акустических систем, которым для формирования узкого звукового луча требуются сложные массивы из множества излучателей, MiPAL использует один преобразователь, объединённый с акустическими и упругими метаматериалами.

Проблема обычного звука заключается в том, что звуковые волны естественным образом распространяются во многих направлениях. Даже если основной поток энергии удаётся сфокусировать, часть звука может уходить в стороны. Именно поэтому современные параметрические громкоговорители часто используют большое количество ультразвуковых излучателей, что увеличивает стоимость и усложняет конструкцию.

В MiPAL исследователи применили другой подход. Система работает как параметрический акустический массив: ультразвуковая волна модулируется сигналом слышимого диапазона, а нелинейные свойства распространения ультразвука в воздухе позволяют сформировать узкий направленный пучок. В результате звук можно направлять практически по прямой к определённой области пространства.

Однако одной только фокусировки недостаточно — необходимо также подавить вибрации самого устройства, которые способны создавать нежелательный боковой звук. Для этого разработчики объединили в одном преобразователе два типа метаматериалов.

Передняя часть устройства представляет собой акустическую метаповерхность, выполняющую роль своеобразной линзы. Она изменяет форму ультразвуковой волны и помогает сформировать узкий луч. С обратной стороны расположены упругие метаэлементы, которые подавляют паразитные механические вибрации и тем самым уменьшают утечку звука в стороны.

Диапазон работы MiPAL составляет от 500 Гц до 10 кГц — это более четырёх октав слышимого спектра. Исследователи проверили устройство с реальными речевыми, музыкальными и вещательными сигналами, в том числе в моделировании расположения пассажиров в салоне самолёта.

Эксперименты показали, что добавление упругих метаэлементов значительно улучшает направленность системы. В результате один пассажир может получать аудиосигнал, тогда как находящийся рядом человек слышит значительно меньше постороннего звука.

Важной особенностью разработки стала возможность относительно быстро изменять её конструкцию. Метаматериальные элементы можно изготавливать с помощью 3D-печати, поэтому геометрию системы можно адаптировать под конкретные условия — например, под расстояние между креслами, требуемый угол распространения звукового луча или особенности помещения.

По словам профессора Джунсока Ро, объединение метаматериалов и ультразвукового устройства в единую систему позволило одновременно решить проблемы стоимости, сложности конструкции и гибкости проектирования. Исследователь отметил, что до сих пор акустические и упругие метаматериалы в значительной степени оставались на стадии демонстрации принципов, тогда как новая работа показывает возможность их интеграции в функциональное устройство.

Если технология выйдет за пределы лаборатории, у неё может появиться широкий спектр применений. В самолётах и поездах направленный звук способен обеспечить пассажирам индивидуальные развлекательные программы или объявления без необходимости использовать наушники. В музеях аналогичная система могла бы воспроизводить комментарий только для посетителя, стоящего перед конкретным экспонатом.

Разработчики предполагают, что подобные системы в будущем позволят создавать персонализированные звуковые зоны в общественных пространствах, уменьшая распространение аудиосигналов за пределы заданной области.