驚人的新技術只能將聲音“彎曲”到您的耳朵中

如果您可以在沒有耳機或耳塞的情況下聽音樂或播客，并且不會打擾周圍的任何人，那會怎樣？或者在其他人沒有聽到您的情況下在公共場合進行私人交談？

我們新發表的研究介紹了一種創建可聽安全區– 與周圍環境隔離的局部聲音。換句話說，我們開發了一種技術，可以在需要的地方創造聲音。

發送僅在特定位置才能聽到的聲音的能力可以改變娛樂、通信和空間音頻體驗。

什么是聲音？

聲音是一種振動它以波的形式在空氣中傳播。這些波是在物體來回移動時產生的，壓縮和減壓空氣分子。

這些振動的頻率決定了音高。低頻對應于深沉的聲音，如低音鼓;高頻對應于尖銳的聲音，如哨聲。

由于一種現象，控制聲音的去向很困難稱為 衍射– 聲波在傳播過程中向外傳播的趨勢。這種效果對于低頻聲音尤其強烈，因為它們的波長較長，因此幾乎不可能將聲音局限于特定區域。

某些音頻技術（如參數陣列揚聲器，可以創建聚焦聲束瞄準特定方向。但是，這些技術在穿越太空時仍會發出在其整個路徑上可以聽到的聲音。

可聽飛區的科學

我們發現了一種將聲音發送給特定聽眾的新方法：通過自彎曲超聲波束和一種稱為非線性聲學的概念。

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

由于超聲波可以穿透許多材料并以獨特的方式與物體相互作用，因此它被廣泛用于醫學成像和許多工業應用.

在我們的工作中，我們使用超聲波作為可聽聲音的載體。它可以無聲地在空間中傳輸聲音 - 只有在需要時才能聽到。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形成一個更大的波浪。然而，當聲波足夠強時，它們可以非線性相互作用，產生以前不存在的新頻率。

這就是我們技術的關鍵：我們使用兩個不同頻率的超聲波束，它們本身是完全靜音的。但是當他們在空間中相交，非線性效果使它們以僅在該特定區域中聽到的可聽頻率生成新的聲波。

至關重要的是，我們設計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，通過使用聲學超表面–縱聲波的專用材料 – 我們可以塑造超聲波束，使其在傳播時彎曲。

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

起作用的關鍵現象是所謂的差頻產生.當兩個頻率略有不同的超聲波束（例如 40 kHz 和 39.5 kHz）重疊時，它們會在它們的頻率差處產生新的聲波——在本例中為 0.5 kHz 或 500 Hz，這完全在人類聽覺范圍內。

只有在光束交叉的地方才能聽到聲音。在該交叉口之外，超聲波保持無聲。

這意味著您可以將音頻傳送到特定位置或人員，而不會在聲音傳播時打擾其他人。

先進的聲音控制

創建音頻 Enclaves 的功能具有許多潛在的應用。

音頻飛區可以在公共場所實現個性化音頻。例如，博物館可以為沒有耳機的參觀者提供不同的語音導覽，圖書館可以允許學生在不打擾他人的情況下通過語音課程進行學習。

在汽車中，乘客可以聽音樂，而不會分散駕駛員聽到導航指令的注意力。辦公室和軍事環境也可以從用于機密對話的本地化語音區域中受益。

音頻飛地還可以進行調整，以消除指定區域的噪音，創建安靜區域，以提高工作場所的注意力或減少城市的噪音污染。

這不會在不久的將來被束之高閣。例如，我們的技術仍然存在挑戰。非線性失真會影響音質。功率效率是另一個問題 - 將超聲波轉換為可聽聲音需要高強度場，而這些場可能會產生大量能源。

盡管存在這些障礙，但音頻飛區還是帶來了聲音控制的根本性轉變。通過重新定義聲音與空間的互動方式，我們為沉浸式、高效和個性化的音頻體驗開辟了新的可能性。

鐘佳欣， 聲學博士后研究員，賓夕法尼亞州立大學和云靜， 聲學教授，賓夕法尼亞州立大學

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