Инженеры представили однокомпонентный динамик, способный транслировать звук адресно для конкретного человека. Похоже, что некогда казавшийся фантастическим приватный аудиопоток вот-вот станет обыденностью. Новая конструкция колонки направляет звуковые волны на одного слушателя, применяя акустические и эластичные метаматериалы для концентрации звука и исключения его рассеивания.
Ирина Медведева
Ультразвуковой преобразователь. Источник: POSTECH
Все как в шпионском кино
Специалисты из Пхоханского университета науки и технологий (POSTECH) создали экономичный одноэлементный динамик, получивший название MiPAL.
После коммерческого внедрения эта разработка способна сделать общественные звуковые пространства персональными без лишнего шума. Акустическая система умеет «доставлять звук точечно одному человеку». Это напоминает устройство из шпионского фильма.
В будущем можно будет смотреть шумный боевик в переполненном вагоне метро без наушников, и сосед, сидящий вплотную, не различит ни одного удара. Вероятно, не будет ни малейшего фонового звука, ни недовольных взглядов.
«Создавая метаматериалы и ультразвуковой модуль как единое целое, мы одновременно устранили препятствия, связанные с ценой, сложностью и адаптивностью конструкции», — отметил профессор Чжунсук Ро.
«Исследования акустических и упругих метаматериалов в основном ограничивались проверкой идей и демонстрацией концепций. Наша работа впервые показывает интеграцию метаматериалов в работающее устройство и раскрывает их возможности для реального применения», — добавил Ро.
Двухзонные метаматериалы
Свет движется по прямым траекториям. Однако звук распространяется во все стороны и неизбежно проникает в соседние области.
Обычные параметрические акустические системы используют дорогие и громоздкие решетки из множества излучателей для концентрации звука, тогда как упрощенные однокомпонентные варианты часто страдают от лишних колебаний, искажающих сигнал.
Для преодоления этой проблемы новый направленный динамик использует принцип параметрической антенной решетки. Данный метод накладывает ультразвук на слышимые частоты, задействуя нелинейные свойства воздуха, что позволяет сфокусировать звук и направить его точно на адресата, словно луч прожектора.
Исследователи объединили два типа метаматериалов в одном преобразователе: акустическая метаповерхность спереди работает как линза, сужая ультразвуковой поток. При этом эластичные метамодули сзади гасят нежелательные колебания, препятствуя утечке звука вбок.
Звук, доступный только вам
Устройство с одним элементом охватывает частоты от 500 Гц до 10 кГц. Любопытно, что оно перекрывает более четырех октав звукового диапазона.
В тестовых имитациях кресел для авиарейсов с реальными сигналами вещания и музыкой добавление эластичных метамодулей заметно усилило направленный контроль, подтверждая способность системы обеспечивать изолированное звучание для каждого пассажира, не беспокоя окружающих.
Помимо точного управления направлением, прибор отличается простотой сборки и быстрой подстройкой.
Поскольку модульные метаматериальные элементы печатаются на 3D-принтере, специалисты могут оперативно менять и перенастраивать конструкцию под различные требования — например, разные интервалы между креслами, углы излучения или особые условия работы.
Возможно, эпоха наушников не завершится завтра, но времена, когда приходилось слушать чужие разговоры на громкой связи, подходят к концу.
В итоге путешественники в самолетах и поездах смогут пользоваться индивидуальным контентом или объявлениями без наушников. А посетители выставок получат возможность прослушивать описания экспонатов, просто находясь у нужной витрины.
Проблемы на пути внедрения
Однако, прежде чем приватный звук станет нормой, инженерам предстоит решить несколько практических задач. Главная из них — энергоэффективность. Ультразвуковая модуляция требует значительной мощности, особенно при воспроизведении низких частот, которые в обычных динамиках создаются за счет движения мембраны.
В MiPAL низкочастотный диапазон обеспечивается нелинейным взаимодействием волн в воздухе, что физически менее эффективно, чем прямое излучение. Это значит, что для достижения громкости, сравнимой с обычной колонкой, устройству потребуется больше энергии, а значит, и более емкий аккумулятор, что критично для портативных сценариев в транспорте. Тем не менее, для стационарных установок в музеях или аэропортах этот недостаток несущественен.
Второй аспект — безопасность ультразвука. Хотя заявленные частоты (500 Гц — 10 кГц) лежат в пределах слышимого диапазона, сама технология предполагает генерацию несущих ультразвуковых волн (обычно 40–60 кГц), которые после нелинейного взаимодействия превращаются в слышимый сигнал. Длительное воздействие интенсивного ультразвука на человека — предмет отдельных исследований, и производителям придется доказать, что уровни излучения соответствуют санитарным нормам для общественных мест. В противном случае даже точечная трансляция может вызвать нарекания со стороны врачей и экологов.
Третье ограничение — зависимость от положения слушателя. Система «прицеливается» в конкретную точку пространства, и если человек меняет позу или перемещает голову, звуковая «дорожка» может сместиться. Для пассажира, который наклоняется за сумкой или поворачивается к окну, эффект приватности исчезнет.
Решением могут стать адаптивные алгоритмы слежения за лицом или датчики движения, но это усложнит конструкцию и поднимет стоимость, против чего изначально выступали разработчики. Пока что MiPAL ориентирован на статичных слушателей — в кресле или у витрины.
Возможен ли коммерческий успех
Наконец, коммерческий успех будет зависеть от интеграции с существующей инфраструктурой. Вряд ли авиакомпании бросятся менять кресла и потолочные панели самолетов ради одной технологии.
Гораздо реалистичнее выглядит использование MiPAL в нишевых сценариях: гиды в музеях, персональные аудиосистемы в выставочных павильонах, локальные звуковые зоны в библиотеках или коворкингах. Там, где требуется адресная подача информации без помех для окружающих, устройство найдет применение быстрее, чем в массовом транспорте.
И все же появление MiPAL — важный шаг к тому, чтобы «звуковой луч» перестал быть экзотикой. В сочетании с развитием метаматериалов и упрощением 3D-печати такие динамики могут стать такими же модульными, как сейчас смартфоны.
Уже скоро мы можем увидеть первые коммерческие образцы, предназначенные для отелей, где каждый гость у бассейна услышит только свой плейлист, или для тематических парков, где декорации будут «шептать» только стоящему рядом.
Это не отменит наушники, но расширит границы тишины и личного пространства в местах, где раньше они были невозможны.