Das MIT hat gelernt, wie man Schall mit einem Laser überträgt

Ein Forscherteam des MIT stellte eine neue Methode zur Übertragung von Richtungsschall mit einem Laser vor. Unter dem Schnitt erzählen wir, worauf diese Technologie aufgebaut ist.


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Schalllaser

Directional Sound-Technologie, die in der Lage ist, einen auf kleinem Raum hörbaren Audiostream zu erzeugen, ist seit den 1980er Jahren bekannt. Der Schall solcher Systeme (einschließlich moderner) kann jedoch kaum als eng zielgerichtet bezeichnet werden: Er erstreckt sich im Durchschnitt bis zu einer Zone mit einem Durchmesser von 50 Zentimetern. Die Größe der Beschichtungsfläche begrenzt deren Verwendung.

Heute werden sie verwendet, um „Audiopunkte“ in Museen zu erstellen, damit Besucher Vorträge von elektronischen Führern hören und andere nicht stören können. Sie eignen sich jedoch nicht für die Übertragung eines Audiostreams an eine bestimmte Person aus großer Entfernung.

Dieses Problem wurde von Ingenieuren des MIT gelöst. Sie schlugen vor, einen präzisen Laserstrahl zu verwenden, um Richtungsschall zu übertragen. Ihre Lösung basiert auf dem photoakustischen Effekt , wenn Wasserdampf in der Atmosphäre die Energie des Lichts absorbiert. Dieser Prozess führt zu einem lokalen Anstieg des Luftdrucks und dem Auftreten von Schallschwingungen. Eine Person kann diese Schwankungen ohne zusätzliche tragbare Ausrüstung wahrnehmen.

Wie funktioniert es?

Als Strahlungsquelle verwendeten Ingenieure des MIT einen Thuliumlaser , der üblicherweise in der Medizin und Kosmetologie eingesetzt wird. Das Gerät kann Strahlung mit einer Wellenlänge von 1900 bis 2000 nm erzeugen - dem nahen Infrarotbereich des elektromagnetischen Spektrums. Die Entscheidung für einen Thuliumlaser beruht auf der Tatsache, dass Wasserdampf in der Luft Wellen dieser bestimmten Länge am besten absorbiert. Ein weiterer Grund ist, dass Licht mit einer Wellenlänge von 1900 nm für die Netzhaut des Auges und der menschlichen Haut harmlos ist.

Die Entwickler schlugen zwei Möglichkeiten zur Schallübertragung vor. Die erste Methode beinhaltet einen akustooptischen Modulator - ein Gerät, das die Intensität des durchgelassenen Lichts ändert. Es besteht aus einer Glasplatte, auf der mit einem piezoelektrischen Wandler eine sich bewegende Ultraschallwelle erzeugt wird, die die Strahlintensität ändert. Der Vorteil dieses Ansatzes war die relativ hohe Qualität des übertragenen Tons - die Forscher konnten die Aufzeichnung von Sprache und sogar Musik erfolgreich reproduzieren.

Bei der zweiten Methode zur Übertragung von Audioinformationen wird anstelle eines Modulators ein rotierender Spiegel verwendet. Es bewegt den Laserpunkt im Raum in der Nähe des Hörers mit der Schallgeschwindigkeit, was zu einer Störung der akustischen Signale und ihrer Verstärkung führt.

In diesem Fall ist die Klangqualität schlechter als bei der ersten Methode. Der Klang selbst ist jedoch viel lauter - den Autoren gelang es, in einer Entfernung von 2,5 Metern einen Wert von 60 dB zu erreichen (im ersten Fall betrug das Maximum 30 dB).

Bisher war es Entwicklern nicht möglich, ein System zu entwickeln, das die Vorteile - Lautstärke und Klangqualität - beider Ansätze kombiniert. Aber sie werden weiterhin in diese Richtung arbeiten. Ingenieure planen, eine Methode zu entwickeln, die auf einem rotierenden Spiegel basiert. Die Entscheidung beruht auf der Tatsache, dass der Schall im ersten Fall nur durch einen stärkeren Laser „lauter“ gemacht werden kann und bereits für den Menschen gefährlich ist.

Andere Methoden zur Übertragung von Richtungsschall

Die Idee, mit einem Laser Schall über eine Distanz zu übertragen, ist nicht neu. Eine ähnliche Technologie wurde vom US-Verteidigungsministerium vorgeschlagen. Sie verwendeten zwei optische Geräte: einen Femtosekundenlaser, der eine Plasmakugel in der Luft erzeugt, und einen Nanolaser, der auf einen engen Wellenlängenbereich abgestimmt ist und Schallschwingungen in dieser Kugel erzeugt.

Infolgedessen ist ein unangenehmes Geräusch in der Luft zu hören, ähnlich dem Geräusch einer Sirene. Das Gerät soll zum Schutz geheimer Gegenstände vor Fremden eingesetzt werden.


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Mikrowellen werden auch zur Übertragung von Richtungsschall verwendet. Vor einigen Jahren untersuchte eine Gruppe von Forschern der Universität von Illinois in Chicago die Möglichkeit, ein Audiosignal mit einem MRT-Gerät zu übertragen, wobei menschliche Schädelknochen als „Träger“ von Schallschwingungen verwendet wurden. Den Ingenieuren gelang es, klar unterscheidbare akustische Klicks zu übermitteln, sie konnten jedoch keine komplizierten Audioaufnahmen reproduzieren. Schallwellen waren dafür nicht stark genug.

Eine andere Möglichkeit, Audio auf kleinem Raum abzuspielen, ist Ultraschall. Im vergangenen Jahr stellte Noveto einen akustischen Lautsprecher mit 3D-Sensoren vor, die die Position des Kopfes des Hörers verfolgen. Sie berechnet dann, in welche Richtung und in welchem ​​Winkel Ultraschallwellen gesendet werden müssen, um beim Hörer ein „virtuelles Kopfhörergefühl“ zu erzeugen .

Perspektiven für Richtungsschall

Directional Sound wird heute hauptsächlich in Ausstellungen oder in der Werbung eingesetzt. Es wird jedoch erwartet, dass es in Zukunft ein effektiveres Marketinginstrument wird. Zum Beispiel planen sie, Noveto-Lautsprecher zusammen mit einem Gesichtserkennungssystem zu verwenden, um gezielte Werbung an Passanten auf der Straße zu übertragen.

Mit neuen Methoden der Schallübertragung werden andere Bereiche ihrer Anwendung erscheinen. Beispielsweise wird vorgeschlagen , die Lösung von Ingenieuren des MIT in Systemen zur persönlichen Warnung von Personen vor Gefahren zu verwenden, da der Laser Schall über sehr große Entfernungen übertragen kann.

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