驚人的新技術(shù)只能將聲音“彎曲”到您的耳朵中

如果您可以在沒(méi)有耳機(jī)或耳塞的情況下聽(tīng)音樂(lè)或播客，并且不會(huì)打擾周圍的任何人，那會(huì)怎樣？或者在其他人沒(méi)有聽(tīng)到您的情況下在公共場(chǎng)合進(jìn)行私人交談？

我們新發(fā)表的研究介紹了一種創(chuàng)建可聽(tīng)安全區(qū)– 與周圍環(huán)境隔離的局部聲音。換句話說(shuō)，我們開(kāi)發(fā)了一種技術(shù)，可以在需要的地方創(chuàng)造聲音。

發(fā)送僅在特定位置才能聽(tīng)到的聲音的能力可以改變娛樂(lè)、通信和空間音頻體驗(yàn)。

什么是聲音？

聲音是一種振動(dòng)它以波的形式在空氣中傳播。這些波是在物體來(lái)回移動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的，壓縮和減壓空氣分子。

這些振動(dòng)的頻率決定了音高。低頻對(duì)應(yīng)于深沉的聲音，如低音鼓;高頻對(duì)應(yīng)于尖銳的聲音，如哨聲。

由于一種現(xiàn)象，控制聲音的去向很困難稱為 衍射– 聲波在傳播過(guò)程中向外傳播的趨勢(shì)。這種效果對(duì)于低頻聲音尤其強(qiáng)烈，因?yàn)樗鼈兊牟ㄩL(zhǎng)較長(zhǎng)，因此幾乎不可能將聲音局限于特定區(qū)域。

某些音頻技術(shù)（如參數(shù)陣列揚(yáng)聲器，可以創(chuàng)建聚焦聲束瞄準(zhǔn)特定方向。但是，這些技術(shù)在穿越太空時(shí)仍會(huì)發(fā)出在其整個(gè)路徑上可以聽(tīng)到的聲音。

可聽(tīng)飛區(qū)的科學(xué)

我們發(fā)現(xiàn)了一種將聲音發(fā)送給特定聽(tīng)眾的新方法：通過(guò)自彎曲超聲波束和一種稱為非線性聲學(xué)的概念。

超聲波是指頻率高于人類聽(tīng)覺(jué)范圍或高于 20 kHz 的聲波。這些波像普通聲波一樣在空氣中傳播，但人們聽(tīng)不見(jiàn)。

由于超聲波可以穿透許多材料并以獨(dú)特的方式與物體相互作用，因此它被廣泛用于醫(yī)學(xué)成像和許多工業(yè)應(yīng)用.

在我們的工作中，我們使用超聲波作為可聽(tīng)聲音的載體。它可以無(wú)聲地在空間中傳輸聲音 - 只有在需要時(shí)才能聽(tīng)到。我們是怎么做到的？

正常情況下，聲波線性組合，這意味著它們只是按比例加起來(lái)形成一個(gè)更大的波浪。然而，當(dāng)聲波足夠強(qiáng)時(shí)，它們可以非線性相互作用，產(chǎn)生以前不存在的新頻率。

這就是我們技術(shù)的關(guān)鍵：我們使用兩個(gè)不同頻率的超聲波束，它們本身是完全靜音的。但是當(dāng)他們在空間中相交，非線性效果使它們以僅在該特定區(qū)域中聽(tīng)到的可聽(tīng)頻率生成新的聲波。

至關(guān)重要的是，我們?cè)O(shè)計(jì)了可以自行彎曲的超聲波束。通常，聲波沿直線傳播，除非有東西阻擋或反射它們。但是，通過(guò)使用聲學(xué)超表面–縱聲波的專用材料 – 我們可以塑造超聲波束，使其在傳播時(shí)彎曲。

與光學(xué)透鏡彎曲光線的方式類似，聲學(xué)超表面會(huì)改變聲波路徑的形狀。通過(guò)精確控制超聲波的相位，我們創(chuàng)造了彎曲的聲程可以繞過(guò)障礙物并在特定目標(biāo)位置相遇。

起作用的關(guān)鍵現(xiàn)象是所謂的差頻產(chǎn)生.當(dāng)兩個(gè)頻率略有不同的超聲波束（例如 40 kHz 和 39.5 kHz）重疊時(shí)，它們會(huì)在它們的頻率差處產(chǎn)生新的聲波——在本例中為 0.5 kHz 或 500 Hz，這完全在人類聽(tīng)覺(jué)范圍內(nèi)。

只有在光束交叉的地方才能聽(tīng)到聲音。在該交叉口之外，超聲波保持無(wú)聲。

這意味著您可以將音頻傳送到特定位置或人員，而不會(huì)在聲音傳播時(shí)打擾其他人。

先進(jìn)的聲音控制

創(chuàng)建音頻 Enclaves 的功能具有許多潛在的應(yīng)用。

音頻飛區(qū)可以在公共場(chǎng)所實(shí)現(xiàn)個(gè)性化音頻。例如，博物館可以為沒(méi)有耳機(jī)的參觀者提供不同的語(yǔ)音導(dǎo)覽，圖書館可以允許學(xué)生在不打擾他人的情況下通過(guò)語(yǔ)音課程進(jìn)行學(xué)習(xí)。

在汽車中，乘客可以聽(tīng)音樂(lè)，而不會(huì)分散駕駛員聽(tīng)到導(dǎo)航指令的注意力。辦公室和軍事環(huán)境也可以從用于機(jī)密對(duì)話的本地化語(yǔ)音區(qū)域中受益。

音頻飛地還可以進(jìn)行調(diào)整，以消除指定區(qū)域的噪音，創(chuàng)建安靜區(qū)域，以提高工作場(chǎng)所的注意力或減少城市的噪音污染。

這不會(huì)在不久的將來(lái)被束之高閣。例如，我們的技術(shù)仍然存在挑戰(zhàn)。非線性失真會(huì)影響音質(zhì)。功率效率是另一個(gè)問(wèn)題 - 將超聲波轉(zhuǎn)換為可聽(tīng)聲音需要高強(qiáng)度場(chǎng)，而這些場(chǎng)可能會(huì)產(chǎn)生大量能源。

盡管存在這些障礙，但音頻飛區(qū)還是帶來(lái)了聲音控制的根本性轉(zhuǎn)變。通過(guò)重新定義聲音與空間的互動(dòng)方式，我們?yōu)槌两?、高效和個(gè)性化的音頻體驗(yàn)開(kāi)辟了新的可能性。

鐘佳欣， 聲學(xué)博士后研究員，賓夕法尼亞州立大學(xué)和云靜， 聲學(xué)教授，賓夕法尼亞州立大學(xué)

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