Звук научились направлять как луч света — прямо к одному человеку

Исследователи из Университета науки и технологий Пхохана (POSTECH) в Южной Корее создали компактный динамик MiPAL, который способен направлять звук к одному слушателю и почти не распространять его в стороны. 

Обычный динамик распространяет звук во все стороны. Чтобы получить узкий звуковой луч, существуют параметрические акустические системы, но они обычно используют сотни излучателей, из-за чего получаются дорогими и сложными.

Звук превращают в узкий луч

MiPAL решает эту задачу с помощью метаматериалов — специально спроектированных структур, свойства которых зависят не столько от состава, сколько от их формы.

В передней части динамика находится акустическая метаповерхность. Она работает как линза и формирует узкий поток ультразвука. В него «встраивается» обычный слышимый звук, после чего в воздухе он преобразуется в направленный звуковой сигнал.

Но одной такой системы недостаточно. Часть энергии может вызывать нежелательные вибрации самого устройства, из-за которых звук распространяется в стороны. Поэтому сзади исследователи разместили упругие метаэлементы, которые гасят эти вибрации и уменьшают боковую утечку звука.

«Совместно проектируя метаматериалы и ультразвуковое устройство как единую систему, мы одновременно преодолели ограничения по стоимости, сложности и гибкости конструкции», — рассказал профессор Чунсок Ро.

По его словам, исследования акустических и упругих метаматериалов долгое время оставались на уровне экспериментов, подтверждающих сам принцип работы. Теперь их объединили в полноценном устройстве.

Можно слушать без наушников

Диапазон работы MiPAL составляет от 500 Гц до 10 кГц. Это охватывает значительную часть слышимого человеком звука, включая речь и многие музыкальные частоты.

Исследователи проверили устройство в условиях, имитирующих салон самолета, используя реальные радиопередачи и музыку. Добавление упругих метаэлементов заметно улучшило направленность сигнала. В результате звук можно было передавать конкретному пассажиру, не создавая такого же уровня шума рядом с ним.

Это может пригодиться в транспорте, где пассажиры сидят близко друг к другу. Например, один человек сможет слушать фильм или объявление без наушников, тогда как сосед почти не будет слышать звук.

Технологию также можно использовать в музеях. Посетителю достаточно будет подойти к определенному экспонату, чтобы услышать предназначенный для него аудиокомментарий.

Конструкцию можно менять под задачу

Метаматериалы для MiPAL изготавливаются с помощью 3D-печати. Это позволяет относительно быстро менять их форму под конкретные условия — например, расстояние между креслами или требуемый угол распространения звука.

Исследователи рассчитывают, что такой подход позволит создавать персональные акустические системы для самолетов, поездов, музеев и других общественных пространств. При этом технология пока находится на стадии разработки, поэтому до массового применения ей еще предстоит пройти дополнительные испытания.