التخصيص الصوتي: "عدسات" من مادة metamaterial للتحكم في مجال الصوت

عند الذهاب إلى السينما ، فإن أول شيء ننتبه إليه هو الصورة. تعد الألوان الزاهية والصورة الواضحة دون أي عيوب ذات أهمية كبيرة لتصورنا للفيلم الذي نشاهده. ولكن لا تنسى الصوت. إذا كانت الجودة عرجاء ، فبغض النظر عن الصورة ، فسوف تفسد تجربة المشاهدة. تحظى جودة الصورة بمزيد من الاهتمام: يتم تطوير شاشات جديدة ونظارات للفيديو ثلاثي الأبعاد والكاميرات والعدسات والكثير غير ذلك. اليوم سنتحدث معك عن دراسة قررت فيها مجموعة من العلماء تصحيح هذا الظلم. لقد كرّسوا كل انتباههم ووقتهم وذكائهم للصوت ، أو بالأحرى تطوير جهاز جديد يمكنه العمل بالصوت ، مثل الضوء. تلسكوب ، عدسة مكبرة ، ميزاء ، وحتى عدسة فاريفوكال ، وكل هذا مع البادئة "الصوتية". كيف تمكن العلماء بالضبط من التحكم في الموجات الصوتية ، وما هو شكل أجهزتهم ، وما مدى صعوبة إنشائها ، وما هي النتائج التي أظهرتها خلال الاختبارات؟ نتعرف على هذا من تقرير مجموعة الأبحاث. دعنا نذهب.

أساس الدراسة

يلاحظ العلماء أن تكوين وإدارة حقول الصوت هو أهم عنصر في التقنيات الحديثة المتعلقة بإعادة إنتاج الصوت. وكقاعدة عامة ، يتم تحقيق ذلك من خلال التحكم في شدة أو طور مولد مصدر الصوت باستخدام المصفوفات المرحلية. تتيح لك هذه الطريقة التحكم في الصوت في الوقت الفعلي ، إلا أن الأجهزة من هذا النوع غالبًا ما تكون ضخمة ومكلفة.

بدوره ، يتطلب الضوء مقاربة مختلفة إذا كنا نريد السيطرة عليه. يمكن تحسين الإدراك من خلال التفاصيل ذات الصلة (المرشحات ، العدسات ، إلخ). يتيح لك تغيير معلمات هذه العناصر الحصول على نوع معين من الأجهزة بخصائصها الفريدة (الكاميرات ذات التركيز التلقائي ، شاشات الكريستال السائل ، سماعات الرأس VR ، إلخ). هذه التلاعب مع الصوت ليست ممكنة بعد. إذا كنا نرغب في الحصول على أفضل صوت ، فإننا نحتاج إلى مكبرات صوت كبيرة وقوية ، تحدث بشكل مبالغ فيه.


الصورة رقم 1: (أ) - مقارنة التطورات السابقة (يسار) والموضحة في هذا العمل (يمين) ؛ (ب) - تحويل عمود قياسي في الاتجاه (ج) - تثبيت العدسة الصوتية التركيز.

المواد المساعدة يمكن أن تساعد في حل هذه المشكلة. السمة المميزة لهذه المواد هي أن خصائصها لا تعتمد عملياً على خصائص المواد التي صنعت منها. من الأهمية بمكان معرفة كيفية تكوينها بالضبط ، أي البنية ، الهندسة المعمارية ، الهيكل ، الشكل ، إلخ. لسوء الحظ ، فإن استخدام المواد الفوقية في العمل مع الصوت ليس شائعًا للغاية بعد بسبب بعض الصعوبات: سمك لا يتوافق مع أطوال الموجة ؛ ثابت الجهاز ومدى التردد المحدود.

بالنسبة للعلماء ، تمثل هذه القيود تحديًا يقبلونه بجرأة. لقد طوروا طريقة جديدة لتصميم المواد الأولية التي تشبه العدسات ، ولكن ليس للضوء ، ولكن للصوت. في الوقت نفسه ، تمكنا من الالتفاف على القيود المذكورة أعلاه. كيف بالضبط سوف نحلل بمزيد من التفاصيل.

تصميم المواد

يحدد الباحثون أربع خطوات رئيسية في عملية إنشاء مادة تعريفية:

• اختيار وظائفها (ما يجب أن تفعله مع الصوت) ؛
• تحويل هذه المعلومات إلى توزيع طور / شدة مماثل ( 2 أ ) على سطح المادة الفوقية (المشار إليها فيما يلي باسم metasurface) ؛
• اختيار خلايا العمل ( 2A ) ؛
• إنشاء سطح صلب ، مع مراعاة القيود من حيث الفضاء وخصائص تردد السعة ( 2B ).

الصورة رقم 2: (أ) - مقارنة بين ملامح المرحلة اثنين ؛ (ب) - محاكاة إرسال COMSOL للخلية رقم 15 ، تحجيمها بحيث تكون قاعدتها 10.4 مم ؛ (ج) - مبدأ تشغيل خلية من النوع B.

يجب أن يكون مفهوما أن توزيع الضغط الصوتي الذي يمر عبر الجهاز سيعتمد على الوظيفة المستقبلية للسطح المعدني. وفقا لذلك ، فإن هندسة metasurface وتوزيع الكثافة تلعب دورا هاما.

من الواضح أن العلماء يعرفون بالضبط ما الذي يذهبون إليه منذ إنشائهم - للعمل كعدسة ، ولكن من أجل الصوت. في هذه الحالة ، ستتميز العدسة بمعلمتين: البعد البؤري والحجم المادي (في حالة الواجهة السطحية ، عدد الخلايا التي تشغلها العدسة).

بمجرد تعيين البعد البؤري المطلوب ( f ) على طول محور العدسة (ˆz) ، يتم الحصول على توزيع الطور φ (x ، y) على السطح العلوي (يُفترض أن يكون في المستوى z = 0) من خلال التأكيد على حقيقة أن جميع المساهمات من الخلايا تدخل في المرحلة على (0 ، 0 ، و ). لهذا العمل المحدد ، استخدم العلماء صورة مكافئة:

φ ( r ) = φ ₀ - A ² (x ² + y ² )

حيث φ (x، y) هي الطور المحلي المرتبط بالخلية ، A عبارة عن ثابت يرتبط بالانحناء المحلي لمظهر جانبي الطور ، is ₀ هو الطول الموجي المحسوب ، و is ₀ ثابت ثابت.

يسمح المظهر الجانبي للطور المكافئ في البصريات للمرء بالحصول على عدسات أكثر إحكاما ، وبالتالي فإن السطح المصمم سيكون صغيرًا أيضًا. بالإضافة إلى ذلك ، فإن مثل هذا الملف الشخصي يربط المعلمة A بـ "انحناء" العدسة ، أي أكبر ، كلما تم الحصول على عدسة التركيز ( 2a ).

بعد إنشاء φ (x، y) ، من الضروري اختيار الخلايا التي ستشملها على الواجهة الأولية. من الضروري أيضًا مراعاة حقيقة أنه كلما كان التردد أقل ، كلما كانت الخلية أكبر.

في الدراسة ، استخدمنا نموذجًا سطحيًا يتكون من 16 خلية: مكعبات مستطيلة ~ 4.3 × 4.3 × 8.6 مم في الحجم ، مصممة لتحقيق أقصى نقل (حوالي 97٪ من صوت الدخل) عند f ₀ ± Δ f _2dB = 40 ± 1 kHz. أسهل طريقة لتطبيق مثل هذا النموذج بتردد مختلف ( f ) هي القياس: تغيير حجم كل مكعبة إلى أن يكون سمكها مساويًا للطول الموجي الجديد λ = c ₀ / f (حيث تكون c ₀ ~ 343 m / s هي سرعة الصوت في الهواء) .

في تردد جديد ، تطبق كل خلية نفس تأخير المرحلة في النطاق 0 ... 2π ، في حين أن جميعها لها نفس الإنتاجية كما هو الحال مع f ₀ .

يلاحظ العلماء أن مكعبة مصممة تحت ص ₀ لها نفس انتقال على ترددات مختلفة ( 2B ). يتم تعريف هذه الترددات على النحو التالي:

f _j = f ₀ - j ⋅ c ₀ / L _eff

حيث j = 0 ، 1 ، 2 ... N عدد صحيح ، L _eff هي المعلمة المحسوبة لخلية معينة ، N = round (L _eff / λ ₀ ) هو عدد (عدد صحيح) من المرات عندما يحتوي L _eff على طول موجة.

ويترتب على ذلك أنه من الممكن العمل مع الخلايا في أحد الترددات f _j ( 2s ) ، مما يدعم إرسالًا مشابهًا للإرسال عند f ₀ .

أثناء الاختبارات ، استخدم التردد f ₀ = 5،600 Hz. يتوافق هذا التردد مع الطول الموجي الذي يبلغ 6 سم ، وقد تم اختياره فقط بسبب القيود الفنية (لم تستطع طابعة ثلاثية الأبعاد طباعة خلايا أكبر). لكن وفقًا للعلماء ، نظرًا لتوسع نموذجهم ، فإن هذا القيد أثناء الاختبارات لا يؤثر على الاستنتاجات.

تم استخدام نوعين من العدسات:

• يتم الحصول على النوع A عن طريق تحجيم الخلايا ، بحيث يكون رنينها الأول (j = 0) 5.6 كيلو هرتز ، ويبلغ السمك λ ₀ (أي 60 مم). يتكون كل من العدسات من هذا النوع من مجموعة من الخلايا 8x8 ، والحجم الكلي هو 240x240x60 ملم ( 1A ، اليسار). عرض النطاق الترددي للعدسة هو 2 ⋅ Δf _2dB ∼ 0. 05 ⋅ f ₀ .
• يتم الحصول على النوع "ب" عن طريق تحجيم الخلايا ، بحيث يكون رنينها الثاني 5.600 هرتز. تتكون كل عدسة من هذا النوع من مجموعة من 10x10 خلية ، والحجم الكلي هو 104 × 104 ملم بسمك 20.8 مم ( 1 أ ، يمين). إنتاجية النوع B هي أيضًا كبيرة جدًا. أظهرت الحسابات أنه 2 2 Δf _2dB ∼ 0.28 ⋅ f ₀ . العيب الرئيسي للعدسات من النوع B هو التالي: نظرًا لأن النموذج المكون من 16 خلية يغطي جزءًا فقط من مساحة الطور ، لا يمكن تحقيق سوى عدد محدود من الأطوال البؤرية باستخدام عدسة ثابتة الحجم.

في الرسم البياني أعلاه ، يمكننا أن نرى نتائج المحاكاة ، والتي تظهر أنه في حالة استخدام عدسة 10x10 ، سيكون الحد الأقصى للطول البؤري 57 مم. وهذا يعني ، لزيادة البعد البؤري فمن الضروري زيادة العدسة.

أصبحت النقاط الرئيسية في تصميم metasurface واضحة لنا. الآن سوف نستمر في وصف كيف تم تطبيق كل هذا في شكل نماذج أولية.

ميزاء صوتي

تمكن الباحثون ، بالنظر إلى الإنجازات المذكورة أعلاه ، من إنشاء تلسكوب موازٍ صوتي - وهو نظام يصحح الاختلاف الهندسي للمصدر ، ونتيجة لذلك يتم تمثيل الصوت بشكل مكاني في شكل حزمة عند الإخراج. ببساطة ، لا ينتشر الصوت أينما يريد ، ولكنه يشكل حزمة مركزة.



توضح الصورة أعلاه كيف ينتشر الصوت بدون مادة (حقل أزرق) ومع مادة (حقل أحمر).

في البصريات ، يتم استخدام الموازمات في كل منارات لإسقاط الضوء على مسافات طويلة وفي إنتاج الأضواء. في هذه الأجهزة ، توجد العدسة على مسافة من مصدر الضوء مساوٍ للطول البؤري للجهاز ، والتي تتحول بها الموجة الساقطة إلى حزمة موازية.

في حالة تلسكوب الموازاة الصوتي ، توجد عدسة من النوع A على مسافة 150 located 2 مم من مصدر الصوت.


الصورة رقم 3: أداء ميزاء الصوت ومخطط التثبيت.

يوضح الرسم البياني 3 أ في الصورة أعلاه أن الضغط الصوتي المقاس على مسافات مختلفة من مصدر الصوت أكبر بكثير مع العدسة من دونه. يُظهر الإشعاع الزاوي ، الذي تم قياسه على مسافة 4.24 م ، أن زاوية الاختلاف في السماعة (مصدر الصوت) بسبب العدسة قد انخفضت من 60 درجة مئوية إلى 1 درجة مئوية إلى 27 درجة مئوية -1 درجة مئوية (3 ب).

يلاحظ العلماء أيضًا أن العدسة الفوقية قد غيرت جودة الصوت للديناميات الرخيصة المستخدمة في التجارب. في الوقت نفسه ، أظهرت الاختبارات في الهواء الطلق زيادة ملحوظة في مسافة إدراك الصوت: بدون ميزاء صوتي - 10 متر ، مع ميزاء - 40 متر.

يقترح العلماء أن زاوية الاختلاف يمكن أن تكون أصغر من خلال ضبط المسافة بين السماعة والعدسة الصوتية بدقة أكبر (ميزاء).

كيف يمكن استخدام ميزاء صوتي في الحياة؟ يمتلك مطورو هذا الجهاز عدة خيارات:

• إضفاء الطابع الشخصي على الصوت - إسقاط الصوت حصرا في مناطق معينة من السينما ( 3S ) ؛ إشارات صوتية مختلفة اعتمادا على الموقف في الفضاء (VR- سماعة) ؛ إنشاء مناطق صوت مختلفة (على سبيل المثال ، يجلس 3 أشخاص على الأريكة ويستمع الجميع إلى بلده ، دون إزعاج الآخرين).
• زيادة أداء مكبرات الصوت - في الحفلات الموسيقية ودور السينما ، يحاولون دائمًا تحسين الصوت بحيث يمكن للجميع سماع كل شيء ، ولكن هناك جزءًا من الجمهور حيث يكون الصوت "رديئًا". تُظهر الصورة ثلاثية الأبعاد متكلمين موجهين بشكل متماثل في اتجاهات مختلفة. في هذا الموقف ، توجد فجوة يكون فيها الصوت سيئًا ، تقريبًا. يمكن استخدام هذا المنحدر الصوتي المثبت في هذه الفجوة إصلاح هذا.
• تحسين الحساسية المكانية لأجهزة الاستشعار الصوتية.

المكبر الصوتي

الصورة رقم 4: مخطط وصورة لتركيب المكبر الصوتي.

كلنا على دراية بالسمة المتأصلة لصورة المخبر - زجاج مكبرة أو عدسة مكبرة. ننظر من خلال عدسة مكبرة إلى شيء ونرى هذا الكائن في شكل مكبّر. يحدث الشيء نفسه مع الصوت إذا كنت تستخدم المكبر الصوتي. في إعداد الاختبار ( 4 أ ) ، وضع العلماء مادة (المكبّر) بين الميكروفون والسماعة. تم ضبط موضع العدسة المكبرة حتى يتم الوصول إلى الحد الأقصى للإشارة التي يتلقاها الميكروفون. نتيجة لهذا ، يتم تضخيم صوت ضعيف.

نطاق المكبر الصوتي لا يقتصر أيضًا على خيار واحد:

• تغيير موضع المصدر - يظهر مثال في الرسم البياني 4 ب : رجل يجلس على أريكة أمام تلفزيون مع مكبر صوت مدمج. إذا كنت تستخدم مكبرًا صوتيًا ، فستشعر أن مكبر الصوت أمامه مباشرةً.
• قدرات محسّنة للأجهزة اللمسية (الشعور باللمس في الهواء ، الفيديو أدناه). ترتبط هذه التقنيات مباشرة بالصوت ، لكنها محدودة في المسافة القصوى بين الكائن "الظاهري" ومولده. يمكن للمكبر الصوتي زيادة هذه المسافة.

التكنولوجيا اللمسية تخلق شعور اللمس من خلال الصوت.

• تحسين استقبال الصوت - يمكن للعدسة الصوتية تغيير الخصائص المكانية للميكروفون. يوضح الشكل 4 د استخدام المكبر الصوتي للتركيز على كائن محدد ، محاط بالعديد من الأشياء الأخرى. ببساطة ، فإن هذا المكبر سوف يسمح لك بالاستماع فقط إلى ما تحتاج إليه ، مما يلغي جميع الضوضاء المرتبطة والخلفية.
• تسوية الصوت من مصادر مختلفة. تخيل أنك تتحدث مع شخصين في غرفة كبيرة. يقف أحد المحاورين في مكان قريب ، والثاني بعيد. يسمح لك المكبر الصوتي بسماع كلا المحاورين بنفس الطريقة ، كما لو كانا يقفان على مسافة واحدة منك (مثال مرئي في الصورة 4 هـ ).

تلسكوب صوتي

هناك حاجة لتلسكوبات لدراسة ما هو بعيد جدا. بيان عادي ومبالغ فيه ، ولكنه لا يفقد صحته. التلسكوبات تعمل بسبب عدسات تقع على مسافة معينة من بعضها البعض. يستخدم التلسكوب الصوتي مبدأ مشابه.



أعلاه صورة لتركيب تلسكوب صوتي: عدنان من مادة metamaterial ، يمكن تغيير المسافة بينهما بدقة 1 مم ، ومكبر صوت.

الميزة الرئيسية للتلسكوب هي أنه يمكنه التحايل على الحد الأقصى للطول البؤري للعدسة الواحدة ، لأنه يتم استخدام اثنين ، والقدرة على تغيير المسافة بينهما تسمح لك بتغيير الطول البؤري.


الصورة رقم 5: تركيب التلسكوب الصوتي ومثال التطبيق.

في الممارسة العملية ، يتيح لك التلسكوب الصوتي سماع صوت قادم من مسافة طويلة ، وعزله عن العديد من الأصوات الأخرى. يوضح الشكل 5 ب أن التلسكوب الصوتي يسمح لك بسماع شخص في حشد على مسافة كبيرة. يمكن أن نلاحظ أشياء مماثلة في أفلام التجسس.

للتعرف أكثر تفصيلاً على الفروق الدقيقة في الدراسة ، أوصي بشدة أن تنظر في تقرير العلماء المتاح على هذا الرابط أو هذا .

خاتمة

لتلخيص ما سبق ، تمكن الباحثون من إنشاء جهاز بسيط وفعال يسمح لك بمعالجة الصوت. ركز الصوت عند نقطة واحدة ، وقم بموازنة مستوى الصوت من مصدرين ، وعزل صوتًا معينًا عن طريق التخلص من الضوضاء ، وقم بتضخيم الصوت - كل هذا يمكن القيام به باستخدام عدسة مصنوعة من مواد ملوثة ، مثل قابس تهوية أو طبق خبز بسكويت الوفل.

يوضح هذا العمل أن الفهم الدقيق لطبيعة الظاهرة ، الفيزيائية أو الكيميائية أو البيولوجية ، يسمح لك بالتحكم فيها وتغيير خصائصها حسب ما يتطلبه الموقف. حتى الآن ، مجرد تخمين بالضبط كيف سيتم استخدام العدسات الصوتية. لن يتوقف العلماء أنفسهم هناك وسيواصلون البحث من أجل تحسين بناتهم.




شكرا لك على البقاء معنا. هل تحب مقالاتنا؟ تريد أن ترى المزيد من المواد المثيرة للاهتمام؟ ادعمنا عن طريق تقديم طلب أو التوصية به لأصدقائك ، خصم 30٪ لمستخدمي Habr على تناظرية فريدة من خوادم الدخول التي اخترعناها لك: الحقيقة الكاملة حول VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1 جيجابت في الثانية من 20 $ أو كيفية تقسيم الخادم؟ (تتوفر خيارات مع RAID1 و RAID10 ، ما يصل إلى 24 مركزًا وما يصل إلى 40 جيجابايت من ذاكرة DDR4).

VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 مراكز) 10GB DDR4 240GB SSD بسرعة 1 جيجابت في الثانية حتى الصيف مجانًا عند الدفع لمدة ستة أشهر ، يمكنك طلب هنا .

ديل R730xd 2 مرات أرخص؟ فقط لدينا 2 من Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6 جيجا هرتز 14 جيجا بايت 64 جيجا بايت DDR4 4 × 960 جيجا بايت SSD 1 جيجابت في الثانية 100 TV من 199 دولار في هولندا! Dell R420 - 2x E5-2430 سعة 2 جيجا هرتز 6 جيجا بايت 128 جيجا بايت ذاكرة DDR3 2x960GB SSD بسرعة 1 جيجابت في الثانية 100 تيرابايت - من 99 دولارًا! اقرأ عن كيفية بناء البنية التحتية فئة باستخدام خوادم V4 R730xd E5-2650d تكلف 9000 يورو عن بنس واحد؟