Возможно, вы удивитесь, если увидите человека, увлечённо танцующего в тишине без наушников. Вероятно, он слушает музыку через новую 3D-печатную накладку для динамика, способную фокусировать звук в определённой точке помещения с точностью до нескольких сантиметров. Исследователи из Университета штата Пенсильвания разработали 3D-печатную накладку на динамик, которая способна фокусировать звуковые волны в удивительно небольшой точке. Устройство работает по принципу выпуклой линзы, фокусирующей свет в узкий, концентрированный луч.
Проблемы традиционных систем
Звуковые волны обычно распространяются от источника во все стороны, расширяясь по мере движения. Эта особенность приводит к тому, что звук выходит далеко за пределы целевой зоны, что часто становится причиной бытовых конфликтов. Помимо шумового загрязнения, существует множество сценариев, когда требуется дискретная и точная передача звука без использования личных аудиоустройств.
Технологии для решения этой задачи уже существуют. Параметрические акустические системы (ПАС) используют высокоинтенсивные ультразвуковые волны (неслышимые для человека) для фокусировки слышимого звука в узкий, направленный луч. Например, такие компании, как Soundlazer и Akoustic Arts, уже более десяти лет демонстрируют возможность прослушивания звука без наушников с помощью технологии параметрических акустических систем.
Однако, хотя подобные динамики применяются в таких местах, как музеи и студии звукозаписи, их использование за пределами этих специально подготовленных пространств остаётся сложной задачей. Физические принципы, лежащие в основе этой технологии, также влияют на качество исходящего звука.
«Эти системы настолько направленные, что, как только звуковой луч сталкивается с поверхностью, звук может отражаться по всему помещению, нарушая конфиденциальность, — пояснил Джи Ву Кевин Ким, аспирант по акустике и первый автор статьи в IEEE Transactions on Ultrasonics. — Кроме того, они плохо воспроизводят низкие частоты, что может негативно сказаться на прослушивании, например, басовой музыки».
Решение с помощью метаповерхностей
Для решения этих проблем учёные обратились к метаповерхностям — классу материалов, способных управлять звуковыми, световыми, тепловыми и другими волнами благодаря своей тонкой структуре. Акустические метаповерхности уже применяются в звуковых технологиях.
Подход Университета Пенсильвании призван не заменить параметрические акустические системы, а усовершенствовать их. Исследователи утверждают, что их 3D-печатная акустическая метаповерхность может быть установлена на динамики на основе ПАС, чтобы создать меньшую, более плотно сфокусированную зону прослушивания, а также улучшить воспроизведение басов — давнее ограничение многих направленных аудиосистем.
«Для разработки акустической метаповерхности мы используем большую поверхность, которая работает как линза, фокусирующая луч света, — отметил Юн Цзин, профессор акустики и ответственный автор статьи. — Поверхность модулирует звуковые волны таким образом, что они сходятся в центральной точке после выхода из динамика, позволяя нам сфокусировать звук в точной области».
Для подтверждения своей разработки исследователи сначала провели симуляции и экспериментально проверили работу акустической метаповерхности, а затем изготовили её с помощью 3D-принтера. Круглая линза была прикреплена к ряду ПАС, расположенных в виде массива, создавая фокусную точку примерно в 10,2 сантиметра от динамика. Команда воспроизводила электронную музыку с выраженными басами, медленно перемещая микрофон по фокусной области и вокруг неё, чтобы оценить как качество звука, так и степень его локализации.
Впечатляющие результаты и потенциал применения
Результаты оказались впечатляющими. При нахождении микрофона в очень плотной фокусной точке, он улавливал чёткий, высококачественный звук. Однако, перемещение микрофона всего на 5,1 сантиметра от центра звукового пятна приводило к снижению громкости до 50 децибел, делая звук почти неслышимым. На практике это означает, что человек, находящийся внутри «звукового пузыря», мог бы слушать музыку или получать аудиоинструкции, в то время как кто-то на небольшом расстоянии ничего бы не услышал.
Метаповерхность также, по всей видимости, решила один из главных недостатков традиционных систем ПАС: воспроизведение низких частот. Тесты показали, что система может эффективно проецировать частоты до 38 Гц, что приближается к самой низкой границе человеческого слуха. Воспроизведение таких низких частот обычно требует значительно больших акустических систем или отдельных сабвуферов, что делает этот результат особенно заметным для компактных направленных аудиоприложений.
Исследователи полагают, что технология может найти применение везде, где требуется приватное, локализованное аудио. Потенциальные сценарии использования включают банкоматы, билетные киоски, розничные витрины, музеи и автомобили, где несколько пассажиров могли бы слушать различные аудиопотоки без наушников и взаимных помех. Помимо потребительских приложений, команда предполагает, что этот подход может обеспечить более дискретные общественные информационные системы и улучшить конфиденциальность в общих пространствах, где обычные динамики транслировали бы звук всем окружающим.
Важное уточнение
Прежде чем кто-либо начнёт присматриваться к своему Bluetooth-динамику и 3D-принтеру, следует отметить, что данная технология не является универсальной насадкой, способной превратить любой динамик в аудиосистему с фокусом на конфиденциальность. Метаповерхность была специально разработана для работы с параметрическими акустическими системами (ПАС), специализированным типом динамиков, которые проецируют высоконаправленные ультразвуковые волны.
Затем 3D-печатная линза манипулирует и фокусирует эти уже направленные волны в крошечную зону прослушивания. Обычные динамики, включая подавляющее большинство потребительских аудиопродуктов, излучают звук во всех направлениях и не генерируют ультразвуковой луч, на который опирается метаповерхность. Иными словами, линза дорабатывает и концентрирует звук, который ПАС уже сформировала в узкий луч, а не создаёт направленное аудио самостоятельно.
14.06.2026