驚人的新技術(shù)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(fā)表的研究介紹了一種創(chuàng)建可聽安全區(qū)– 與周圍環(huán)境隔離的局部聲音。換句話說，我們開發(fā)了一種技術(shù)，可以在需要的地方創(chuàng)造聲音。

發(fā)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(chǎn)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(yīng)于深沉的聲音，如低音鼓;高頻對應(yīng)于尖銳的聲音，如哨聲。

由于一種現(xiàn)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(qū)域。

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

可聽飛區(qū)的科學

我們發(fā)現(xiàn)了一種將聲音發(fā)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(yī)學成像和許多工業(yè)應(yīng)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(chǎn)生以前不存在的新頻率。

這就是我們技術(shù)的關(guān)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(qū)域中聽到的可聽頻率生成新的聲波。

至關(guān)重要的是，我們設(shè)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(chuàng)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(guān)鍵現(xiàn)象是所謂的差頻產(chǎn)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(chǎn)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(nèi)。

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(chuàng)建音頻 Enclaves 的功能具有許多潛在的應(yīng)用。

音頻飛區(qū)可以在公共場所實現(xiàn)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(huán)境也可以從用于機密對話的本地化語音區(qū)域中受益。

音頻飛地還可以進行調(diào)整，以消除指定區(qū)域的噪音，創(chuàng)建安靜區(qū)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(shù)仍然存在挑戰(zhàn)。非線性失真會影響音質(zhì)。功率效率是另一個問題 - 將超聲波轉(zhuǎn)換為可聽聲音需要高強度場，而這些場可能會產(chǎn)生大量能源。

盡管存在這些障礙，但音頻飛區(qū)還是帶來了聲音控制的根本性轉(zhuǎn)變。通過重新定義聲音與空間的互動方式，我們?yōu)槌两?、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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