通过 3D 打印超表面发射的超声波束可以产生路人听不见的局部声音。该技术可用于创建私人语音区域以实现安全通信，或在公共空间和车辆中启用个性化音频空间。
本文引用地址：
无需耳机即可将声音传递给特定听众的能力（称为定向声音）一直是音频工程领域的一个长期研究领域。但要做到这一点通常需要大型和复杂的声源，并且通常可以沿着波束的路径听到音频信号。
宾夕法尼亚州立大学（Pennsylvania State University）的研究人员提出了一种新的方法，通过将紧凑的超声波发射器阵列与特殊图案化的2D结构相结合，解决了这些限制，该结构旨在纵波的特性。这种结构被称为超表面，可产生人类听不见的“自弯曲”超声束，并且可以绕过障碍物。当其中两个波束相交时，它们会以一种方式相互作用，在人类的可听范围内产生声音，但仅限于几厘米宽的地方，研究人员称之为“可听飞区”。
“关键的创新是声音仅在两个波束相交的地方产生，这使得可以将音频传送到精确的位置，同时保持波束本身的静音，”宾夕法尼亚州立大学的博士后研究员、《美国国家科学院院刊》上一篇描述新方法的论文的主要作者 Jia-Xin Zhong 说。
以前的研究表明，可听见的自弯曲光束可以绕过障碍物弯曲。但是，可听声音的长波长意味着声源通常必须达到米级，并且有可能在波束路径上的任何地方听到信号。
宾夕法尼亚州立大学团队想出了一种新技术，该技术依赖于人类无法听到的超声波束，并且可以使用更小的硬件产生。为了使光束自弯曲，他们 3D 打印了一个 16 x 8 厘米的网格形超表面，该超表面放置在超声波发射器阵列的前面。其效果是精确控制输出光束的相位。“这些超表面就像一个声学透镜，控制波前，使光束在传播时弯曲，”Zhong 说。
他们证明，其中两根光束可以围绕假人的头部弯曲，并在其脸前相交。当两个声波相互作用时，它们可以产生一个次级波，其频率等于原始波之间的频率差。通过使用一对 40 和 39.5 kHz 的光束，研究人员以 500 Hz 的频率在假人头部前方创造了一个几厘米宽的声音袋，这在可听范围内。
研究人员表明，通过改变其中一个波束的频率，他们可以使用相同的超表面在可听范围内（从 125 Hz 到 4 kHz）的六个八度音程中生成音频。虽然这些实验涉及创建简单的单频音调，但研究人员还证明了这种方法适用于亨德尔的弥赛亚中的“哈利路亚合唱”的 9 秒爆发，该合唱在一系列频率上波动。
相交超声束
Zhong 说，当前方法的主要问题是，当两个波束相互作用时，它会产生失真，使音频信号变得模糊。然而，研究人员认为这可以使用新的信号处理技术来解决，包括使用可以学习补偿失真的深度学习算法。
目前，自弯曲光束的轨迹是固定的，这意味着声源的位置必须精确，以避免障碍物。Zhong 说，该小组希望最终创造出可以动态调整以避开不同物体的可重构光束。
“我们设想使用自适应处理算法来实时动态调整光束轨迹，使光束能够根据环境反馈智能地绕过障碍物，”他说。“这将使该技术在障碍物可能移动或改变位置的实际应用中更加通用。”
钟说，这项技术的潜在应用非常广泛。这些可能包括在公共场所创建个性化音频，例如在不需要耳机的博物馆中进行语音导览。他补充说，它可以让车内的不同乘客在不干扰彼此体验的情况下收听单独的音频，或者为机密信息创建私人语音区。投影抵消现有声场的音频也可以允许局部降噪。
0 条