Personalización del sonido: "lentes" de metamaterial para controlar el campo de sonido

Cuando vamos al cine, lo primero a lo que prestamos atención es a la imagen. Los colores brillantes, una imagen clara y sin imperfecciones son de gran importancia para nuestra percepción de la película que estamos viendo. Pero no te olvides del sonido. Si su calidad es escasa, cualquiera que sea la imagen, la experiencia de visualización se verá afectada. Se presta mucha más atención a la calidad de imagen: se están desarrollando nuevas pantallas, gafas para video 3D, cámaras, lentes y mucho, mucho más. Hoy hablaremos con usted sobre un estudio en el que un grupo de científicos decidió corregir esta injusticia. Dedicaron toda su atención, tiempo e inteligencia al sonido, o más bien al desarrollo de un nuevo dispositivo que pueda funcionar con el sonido, como con la luz. Un telescopio, una lupa, un colimador e incluso una lente varifocal, y todo esto con el prefijo "acústico". ¿Cómo lograron exactamente los científicos lograr el control sobre las ondas de sonido, cómo es su dispositivo, qué tan difícil es crearlo y qué resultados mostraron durante las pruebas? Aprendemos sobre esto del informe del grupo de investigación. Vamos

Base de estudio

Los científicos señalan que la formación y gestión de los campos de sonido es el componente más importante de las tecnologías modernas relacionadas con la reproducción de sonido. Como regla, esto se logra controlando la intensidad o la fase del generador de fuente de sonido utilizando matrices en fase. Este método le permite controlar el sonido en tiempo real, sin embargo, los dispositivos de este tipo suelen ser voluminosos y caros.

A su vez, la luz requiere un enfoque diferente si queremos obtener control sobre ella. La percepción se puede mejorar a través de detalles relacionados (filtros, lentes, etc.). Cambiar los parámetros de estos elementos le permite obtener un cierto tipo de dispositivo con sus propias propiedades únicas (cámaras con enfoque automático, pantallas LCD, auriculares VR, etc.). Tales manipulaciones con el sonido aún no son posibles. Si queremos el mejor sonido, necesitamos parlantes grandes y potentes, exageradamente hablando.


Imagen No. 1: (a) - comparación de desarrollos previos (izquierda) y descritos en este trabajo (derecha); (b) - conversión de una columna estándar en una direccional; (c) - instalación de una lente acústica de enfoque.

Los metamateriales pueden ayudar a resolver este problema. Una característica distintiva de tales materiales es que sus propiedades prácticamente no dependen de las características de las sustancias de las que están hechos. Es mucho más importante cómo se hacen exactamente, es decir, qué estructura, arquitectura, topología, forma, etc. tienen. Desafortunadamente, el uso de metamateriales en el trabajo con sonido aún no es muy común debido a algunas dificultades: grosor que no corresponde a las longitudes de onda; Dispositivo estático y rango de frecuencia limitado.

Para los científicos, estas limitaciones son un desafío que aceptan audazmente. Desarrollaron un nuevo método para diseñar metamateriales que se asemejan a lentes, pero no para la luz, sino para el sonido. Al mismo tiempo, fue posible eludir las limitaciones anteriores. Cómo exactamente analizaremos con más detalle.

Diseño metamaterial

Los investigadores identifican cuatro pasos principales en el proceso de creación de un metamaterial:

• la elección de sus funciones (qué debería hacer con el sonido);
• convertir esta información en una distribución de fase / intensidad similar ( 2a ) en la superficie del metamaterial (en adelante metasuperficie);
• selección de células de trabajo ( 2a );
• creación de una meta-superficie, teniendo en cuenta las limitaciones en términos de espacio y características de amplitud-frecuencia ( 2b ).

Imagen No. 2: (a) - comparación de perfiles de dos fases; (b) - simulación de transmisión COMSOL de la celda # 15, escalada de modo que su base sea de 10.4 mm; (c) - principio de funcionamiento de una celda de tipo B.

Debe entenderse que la distribución de la presión acústica que pasa a través del dispositivo dependerá de la función futura de la metasuperficie. En consecuencia, la geometría de la metasuperficie y la distribución de intensidad juegan un papel importante.

Los científicos, obviamente, saben exactamente lo que hacen desde su creación: actuar como una lente, pero por sonido. En este caso, la lente se caracterizará por dos parámetros: distancia focal y tamaño físico (en el caso de una metasuperficie, cuántas células ocupa la lente).

Una vez que la longitud focal deseada ( f ) se establece a lo largo del eje de la lente (ˆz), la distribución de fase φ (x, y) en la metasuperficie (se supone que está en el plano z = 0) se obtiene al afirmar el hecho de que todas las contribuciones de las células entran en fase en (0, 0, f ). Para este trabajo específico, los científicos utilizaron un perfil parabólico:

φ ( r ) = φ ₀ - A ² (x ² + y ² )

donde φ (x, y) es la fase local relacionada con la celda, A es una constante relacionada con la curvatura local del perfil de fase, λ ₀ es la longitud de onda calculada y φ ₀ es una constante arbitraria.

El perfil de fase parabólica en óptica permite obtener lentes más compactas, por lo tanto, la metasuperficie diseñada también será pequeña. Además, dicho perfil conecta el parámetro A con la "curvatura" de la lente, es decir, cuanto más grande es A, más se obtiene la lente de enfoque ( 2a ).

Después de establecer φ (x, y), es necesario elegir qué células en la metasuperficie estarán involucradas. También es necesario tener en cuenta el hecho de que cuanto menor sea la frecuencia, mayor será la celda.

En el estudio, utilizamos un modelo de metasuperficie de 16 celdas: cuboides rectangulares de tamaño ~ 4.3 x 4.3 x 8.6 mm, diseñado para una transmisión máxima (~ 97% del sonido de entrada) a f ₀ ± Δ f _2dB = 40 ± 1 kHz. La forma más fácil de aplicar dicho modelo a una frecuencia diferente ( f ) es escalar: cambiar el tamaño de cada cuboide hasta que su grosor sea igual a la nueva longitud de onda λ = c ₀ / f (donde c ₀ ~ 343 m / s es la velocidad del sonido en el aire) .

En la nueva frecuencia, cada una de las celdas aplica el mismo retardo de fase en el rango 0 ... 2π, mientras que todas tienen el mismo rendimiento que con f ₀ .

Los científicos señalan que un cuboide diseñado bajo f ₀ tiene la misma transmisión a diferentes frecuencias ( 2b ). Estas frecuencias se definen de la siguiente manera:

f _j = f ₀ - j ⋅ c ₀ / L _ef

donde j = 0, 1, 2 ... N es un número entero, L _eff es el parámetro calculado de una celda en particular, N = redondo (L _eff / λ ₀ ) es un número (entero) de veces cuando L _eff contiene una longitud de onda.

De esto se deduce que es posible trabajar con células en una de las frecuencias f _j ( 2s ), soportando una transmisión comparable a la que está en f ₀ .

Durante las pruebas, se usó la frecuencia f ₀ = 5.600 Hz. Esta frecuencia corresponde a una longitud de onda de 6 cm. Se eligió únicamente debido a limitaciones técnicas (una impresora 3D no podía imprimir celdas más grandes). Pero, según los científicos, dada la escalabilidad de su modelo, esta limitación durante las pruebas no afecta las conclusiones.

Se utilizaron dos tipos de lentes:

• El tipo A se obtiene al escalar las celdas, de modo que su primera resonancia (j = 0) sea de 5.6 kHz, y el grosor sea equivalente a λ ₀ (es decir, 60 mm). Cada una de las lentes de este tipo consiste en una matriz de celdas de 8x8, y el tamaño total es 240x240x60 mm ( 1a , izquierda). El ancho de banda de la lente es 2 ⋅ Δf _2dB ∼ 0. 05 ⋅ f ₀ .
• El tipo B se obtiene al escalar las células, de modo que su segunda resonancia sea 5.600 Hz. Cada lente de este tipo consiste en una matriz de 10x10 celdas, y el tamaño total es 104x104 mm con un grosor de 20.8 mm ( 1a , derecha). El rendimiento del tipo B también es bastante grande. Los cálculos mostraron que es 2 ⋅ Δf _2dB ∼ 0.28 ⋅ f ₀ . La principal desventaja de las lentes tipo B es la siguiente: dado que el modelo de 16 celdas cubre solo una parte del espacio de fase, solo se puede realizar un número limitado de distancias focales con una lente de tamaño fijo.

En el gráfico anterior, podemos ver los resultados de la simulación, que muestran que en el caso de usar una lente de 10x10, la longitud focal máxima será de 57 mm. Es decir, para aumentar la distancia focal es necesario aumentar la lente.

Los puntos principales en el diseño de la metasuperficie nos han quedado claros. Ahora pasaremos a describir cómo se puso en práctica todo esto en forma de prototipos.

Colimador acústico

Los investigadores, dados los logros anteriores, pudieron crear un colimador acústico, un sistema que corrige la divergencia geométrica de la fuente, como resultado de lo cual el sonido se representa espacialmente en forma de un haz en la salida. En pocas palabras, el sonido no se propaga donde quiera, sino que forma un haz enfocado.



La imagen de arriba muestra cómo se propaga el sonido sin metamaterial (campo azul) y con metamaterial (campo rojo).

En óptica, los colimadores se utilizan tanto en balizas para proyectar luz a largas distancias como en la producción de focos. En tales dispositivos, la lente se encuentra a una distancia de la fuente de luz igual a la distancia focal del dispositivo, por lo que la onda incidente se convierte en un haz paralelo.

En el caso de un colimador acústico, se ubicó una lente metamaterial tipo A a una distancia de 150 ± 2 mm de la fuente de sonido.


Imagen No. 3: rendimiento del colimador acústico y diagrama de instalación.

El gráfico 3a en la imagen de arriba muestra que la presión acústica medida a diferentes distancias de la fuente de sonido es mucho mayor con una lente que sin ella. La radiación angular, medida a una distancia de 4,24 m, muestra que el ángulo de divergencia del altavoz (fuente de sonido) debido a la lente disminuyó de 60 ° ± 1 ° a 27 ° ± 1 ° (3b).

Los científicos también señalan que una lente metamaterial ha cambiado la calidad del sonido de la dinámica barata utilizada en los experimentos. Al mismo tiempo, las pruebas al aire libre mostraron un aumento significativo en la distancia de percepción del sonido: sin un colimador acústico - 10 m, con un colimador - 40 m.

Los científicos sugieren que el ángulo de divergencia puede hacerse aún más pequeño ajustando con mayor precisión la distancia entre el altavoz y la lente acústica (colimador).

¿Cómo se puede usar un colimador acústico en la vida? Los desarrolladores de este dispositivo tienen varias opciones:

• Personalización del sonido: proyección del sonido exclusivamente en ciertas áreas del cine ( 3s ); diferentes señales acústicas dependiendo de la posición en el espacio (auriculares VR); la creación de diferentes zonas de sonido (por ejemplo, 3 personas están sentadas en el sofá y cada una escucha la suya, sin molestar a las demás).
• Aumentando el rendimiento de los altavoces: en los conciertos y en los cines, siempre intentan optimizar el sonido para que todos puedan escuchar todo, pero hay una parte de la audiencia donde el sonido es "inferior". La imagen en 3D muestra 2 altavoces simétricamente dirigidos en diferentes direcciones. En esta posición, hay una brecha donde el sonido será malo, en términos generales. El uso del colimador acústico instalado en este espacio puede solucionar esto.
• Mejora de la sensibilidad espacial de los sensores acústicos.

Lupa acústica

Imagen No. 4: esquema y foto de la instalación de una lupa acústica.

Todos estamos familiarizados con el atributo inherente de la imagen de un detective: una lupa o una lupa. Miramos a través de una lupa algo y vemos este objeto en forma ampliada. Lo mismo sucede con el sonido si usa una lupa acústica. En la configuración de prueba ( 4a ), los científicos colocaron metamaterial (lupa) entre el micrófono y el altavoz. La posición de la lupa se ajustó hasta alcanzar la señal máxima recibida por el micrófono. Debido a esto, se amplifica un sonido débil.

El alcance de la lupa acústica tampoco se limita a una opción:

• Cambio de la posición de la fuente: se muestra un ejemplo en el diagrama 4b : un hombre se sienta en un sofá frente a un televisor con un altavoz incorporado. Si usa una lupa acústica, tiene la sensación de que el altavoz está justo delante de él.
• Capacidades mejoradas de dispositivos táctiles (sensación de tacto en el aire, video a continuación). Dichas tecnologías están directamente relacionadas con el sonido, pero están limitadas en la distancia máxima entre el objeto "virtual" y su generador. Una lupa acústica puede aumentar esta distancia.

La tecnología táctil crea una sensación de tacto a través del sonido.

• Mejora de la recepción del sonido: una lente acústica puede cambiar las características espaciales de un micrófono. La figura 4d muestra el uso de una lupa acústica para enfocarse en un objeto específico, rodeado de muchos otros. En pocas palabras, una lupa de este tipo le permitirá escuchar solo lo que necesita, eliminando todos los ruidos asociados y de fondo.
• Nivelación de sonido de diferentes fuentes. Imagina que estás hablando con dos personas en una habitación grande. Un interlocutor está cerca, el segundo está lejos. Una lupa acústica le permitiría escuchar a ambos interlocutores de la misma manera, como si ambos estuvieran a la misma distancia de usted (ejemplo visual en la imagen 4e ).

Telescopio acústico

Se necesitan telescopios para estudiar lo que está muy lejos. Una declaración banal y exagerada, pero de eso no pierde su veracidad. Los telescopios funcionan debido a dos lentes ubicadas a cierta distancia entre sí. Un telescopio acústico también utiliza un principio similar.



Arriba hay una foto de la instalación de un telescopio acústico: dos lentes de metamaterial, cuya distancia se puede cambiar con una precisión de 1 mm, y un altavoz.

La principal ventaja del telescopio es que puede evitar la limitación de la distancia focal de una lente, ya que se usan dos, y la capacidad de cambiar la distancia entre ellas le permite cambiar la distancia focal.


Imagen No. 5: instalación de un telescopio acústico y ejemplo de aplicación.

En la práctica, un telescopio acústico le permite escuchar el sonido proveniente de una gran distancia y aislarlo de muchos otros sonidos. La Figura 5b muestra que el telescopio acústico le permite escuchar a una persona en una multitud a gran distancia. Pudimos observar cosas similares en las películas de espías.

Para un conocimiento más detallado de los matices del estudio, le recomiendo que consulte el informe de los científicos disponibles en este enlace o este .

Epílogo

Para resumir lo anterior, los investigadores pudieron crear un dispositivo simple y efectivo que le permite manipular el sonido. Enfoca el sonido en un punto, ecualiza el nivel de sonido de dos fuentes, aísla un cierto sonido eliminando el ruido, amplifica el sonido; todo esto se puede hacer usando una lente hecha de metamateriales, más como un tapón de ventilación o una bandeja para hornear gofres.

Este trabajo demuestra que una comprensión precisa de la naturaleza del fenómeno, físico, químico o biológico, le permite obtener control sobre él y cambiar sus propiedades según lo requiera la situación. Hasta ahora, solo adivinando exactamente cómo se usarán las lentes acústicas. Los propios científicos no se detendrán allí y continuarán investigando para mejorar su creación.




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