自弯曲束能在一个人群中将声波交付到你的耳朵

(2025-03-24 11:13:35)

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自弯曲束能在一个人群中将声波交付到你的耳朵

By Yun Jing, Jiaxin Zhong published 1 hour ago

Technology

通过将超声波与一种叫非线性声学概念相结合，你能创建直到它到达一个特定位置为止静音呆着的声音。

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(Image credit: Cinefootage Visuals/iStock via Getty Images Plus)

如果你可以不用耳机或耳塞听音乐或播客并且不打扰你周围的任何人会怎样？或者在没有其他人听到你在公共场合进行一个私人交谈？

我们新发表的研究引入一种来创建可听飞地的方法，即局部化的声音包被与它们的环境隔离。换句话说我们已经开发了一种可以在它需要的地方创造声音的技术。

来发送仅在一个特定位置变得听到的声音的能力可以改变娱乐、通信和空间音频体验。

什么是声音？

声音是一种一个波旅行过空气的振动。这些波当一个物体来回移动时被创造，压缩和解压空气分子。

这些振动的频率是决定音调的。低频对应于深沉的声音，如低音鼓;高频对应于尖锐的声音如哨声。

声音由连续波运动的粒子组成。(Image credit: Daniel A. Russell, CC BY-NC-ND)

因为一种叫衍射的现象控制声音去向是困难的，衍射是声波随它们旅行向外传出的趋势。这种效果对低频声音是尤其强烈的，因为它们的更长波长，几乎不可能将声音局限于一个特定区域。

某些音频技术例如参量阵列扬声器能创造针对特定方向的聚焦声束。但这些技术随声音旅行穿越空间将仍会发射沿它整个路径可以听到的声音。

可听飞地的科学

我们发现了一种将声音发送给一个特定听众的新方法：通过自弯曲超声波束和一种叫非线性声学的概念。

超声波指频率高于人类听觉范围或高于 20 kHz 的声波。这些波像普通声波一样旅行过空气但人们听不见。因为超声波能穿透许多材料并以独特的方式与物体相互作用，它被广泛用于医学成像和许多工业应用。

在我们的工作中，我们用超声波作为可听声音的一个载体。它能无声的穿过空间传输声音 — 只当愿望时被听到。我们是怎么做到的？

通常，声波线性的组合，这意味着它们只是按比例加起来成一个更大的波。然而当声波足够强时它们能非线性相互作用，产生以前不存在的新频率。

这就是我们技术的关键：我们用两个不同频率的超声波束它们本身是完全静音的。但当它们在空间中相交时非线性效应造成它们以可听频率产生一个新的声波，而该声波仅在该特定区域是可听到的。

在两个超声波束的交点处创建的可听区域。(Image credit: Jiaxin Zhong et al./PNAS, CC BY-NC-ND)

至关重要的是我们设计了能靠它们自己弯曲的超声波束。通常，声波沿直线旅行除非某些东西阻挡或反射它们。然而，通过用操纵声波的专用材料声学元表面，我们能形成随它们旅行来弯曲的超声波束。与光学透镜如何弯曲光线类似，声学元表面改变声波路径的形状。通过精确控制超声波的相位，我们创建弯曲的声音路径，能绕过障碍物并在一个特定目标位置相遇。

起作用的关键现象是所谓的差频产生。当两个频率略不同的超声波束例如 40 kHz 和 39.5 kHz重叠时，它们在它们的频率之间差处创造一个新的声波——在本例中为 0.5 kHz 或 500 Hz，这完全在人类听觉范围内。只有在声束交叉的地方声音仅能听到。在该交叉区域外，超声波仍然无声的。

这意味着你能随声音旅行不用打扰其他人将声音交付到特定位置或人员。

先进的声音控制

来创建音频飞地的能力有许多潜在的应用。

音频飞地可以在公共场所使个性化音频成为可能。例如，博物馆可以不用耳机为参观者提供不同的语音导览，图书馆可以允许学生在不打扰他人通过语音课程进行学习。

在汽车中，乘客可以听音乐不会分散驾驶员听到导航指令注意力。办公室和军事环境也可以为机密对话从本地化语音区域受益。音频飞地还对消除指定区域的噪音创建安静区域以提高工作场所注意力或减少城市的噪音污染是适应的。