Уявіть, що ви можете слухати улюблену музику на повну гучність — у метро, в офісі чи навіть у бібліотеці — і при цьому ніхто поруч не чує жодного звуку. Дослідники з Університету Пенсильванії (Penn State) зробили крок до такої реальності, створивши систему, яка «замикає» звук у дуже вузькій зоні простору.
Розробка базується на спеціальній 3D-друкованій акустичній структурі, яка формує так звану «звукову пляму» — область, де аудіо чути чітко, тоді як уже за кілька сантиметрів воно майже повністю зникає. За словами дослідників, ця зона настільки мала, що її ширина трохи перевищує один дюйм.
Результати роботи опубліковані в журналі IEEE Transactions on Ultrasonics.
Як це працює
Звичайні звукові хвилі розповсюджуються в усіх напрямках, поступово розсіюючись у просторі. Але технологія, яку використали в Penn State, працює інакше.
Вона базується на так званих параметричних масивах динаміків, які використовують ультразвук як носій звуку. Ультразвукові хвилі формують вузький спрямований «промінь», у якому вже в повітрі виникає чутний звук.
Однак у класичних систем є проблема: звук легко відбивається від стін і втрачає приватність, а також такі системи погано відтворюють низькі частоти.
Рішення — акустична метаповерхня
Команда професора Юн Цзиня запропонувала використати акустичну метаповерхню — надтонкий матеріал, який можна надрукувати на 3D-принтері. Він працює як своєрідна акустична лінза, що спрямовує звукові хвилі в одну точку.
На відміну від активних систем, ця конструкція є пасивною — їй не потрібне додаткове живлення чи складна обробка сигналу. Достатньо просто накрити нею динамік, щоб змінити поведінку звуку.
Точка звуку розміром із сірник
Під час випробувань система створювала «звукову бульбашку» приблизно чотири дюйми від динаміка. Усередині цієї зони звук залишався чистим і насиченим, але варто було змістити мікрофон лише на кілька сантиметрів — гучність падала майже наполовину.
Фактично слухач отримує якісне аудіо лише в дуже точному місці простору, тоді як усі інші майже нічого не чують.
Якість без компромісів
Окремим проривом стало те, що система змогла відтворювати навіть низькі частоти — до 38 Гц, що раніше було складним завданням для подібних технологій. Це означає, що навіть басова музика звучить повноцінно, а не «обрізано».
При цьому метаповерхня має розмір близько 15 сантиметрів і може бути встановлена практично на будь-який сумісний динамік.
Де це може використовуватися
Розробники бачать широкі перспективи технології: від банкоматів і терміналів самообслуговування до автомобілів та інтерактивних рекламних дисплеїв. У майбутньому кожен користувач може отримувати свій «особистий звуковий потік» без навушників і без завади для інших. Хоча технологія ще перебуває на стадії розвитку, вона вже зараз демонструє, як 3D-друк і акустична фізика можуть змінити звичне уявлення про звук у просторі.