Klanganpassung: „Linsen“ aus Metamaterial zur Steuerung des Schallfeldes

Wenn wir ins Kino gehen, achten wir zuerst auf das Bild. Helle Farben und ein klares Bild ohne Makel sind für unsere Wahrnehmung des Films, den wir gerade ansehen, von großer Bedeutung. Vergessen Sie aber nicht den Klang. Wenn die Qualität schlecht ist, wird das Seherlebnis unabhängig vom Bild beeinträchtigt. Der Bildqualität wird viel mehr Aufmerksamkeit geschenkt: Neue Bildschirme, Brillen für 3D-Videos, Kameras, Objektive und vieles mehr werden entwickelt. Heute werden wir mit Ihnen über eine Studie sprechen, in der eine Gruppe von Wissenschaftlern beschlossen hat, diese Ungerechtigkeit zu korrigieren. Sie widmeten ihre ganze Aufmerksamkeit, Zeit und Intelligenz dem Klang oder vielmehr der Entwicklung eines neuen Geräts, das mit Klang wie mit Licht arbeiten kann. Ein Teleskop, eine Lupe, ein Kollimator und sogar eine Varioobjektiv, und das alles mit dem Präfix „akustisch“. Wie genau ist es den Wissenschaftlern gelungen, die Kontrolle über die Schallwellen zu erlangen, wie ist ihr Gerät, wie schwierig ist es, es zu erstellen, und welche Ergebnisse haben es während der Tests gezeigt? Dies erfahren wir aus dem Bericht der Forschungsgruppe. Lass uns gehen.

Studienbasis

Wissenschaftler stellen fest, dass die Bildung und Verwaltung von Schallfeldern der wichtigste Bestandteil moderner Technologien im Zusammenhang mit der Schallwiedergabe ist. Dies wird in der Regel erreicht, indem die Intensität oder Phase des Schallquellengenerators mit phasengesteuerten Arrays gesteuert wird. Mit dieser Methode können Sie den Ton in Echtzeit steuern. Geräte dieser Art sind jedoch häufig sperrig und teuer.

Licht wiederum erfordert einen anderen Ansatz, wenn wir die Kontrolle darüber erlangen wollen. Die Wahrnehmung kann durch verwandte Details (Filter, Linsen usw.) verbessert werden. Durch Ändern der Parameter dieser Elemente erhalten Sie einen bestimmten Gerätetyp mit eigenen einzigartigen Eigenschaften (Kameras mit Autofokus, LCD-Displays, VR-Headsets usw.). Solche Manipulationen mit Ton sind noch nicht möglich. Wenn wir den besten Klang wollen, brauchen wir übertrieben große und leistungsstarke Lautsprecher.


Bild Nr. 1: (a) - Vergleich früherer Entwicklungen (links) und beschrieben in dieser Arbeit (rechts); (b) - Umwandlung einer Standardsäule in eine Richtungssäule; (c) - Installation einer fokussierenden akustischen Linse.

Metamaterialien können helfen, dieses Problem zu lösen. Ein charakteristisches Merkmal solcher Materialien ist, dass ihre Eigenschaften praktisch nicht von den Eigenschaften der Substanzen abhängen, aus denen sie hergestellt werden. Es ist viel wichtiger, wie genau sie hergestellt werden, dh welche Struktur, Architektur, Topologie, Form usw. sie haben. Leider ist die Verwendung von Metamaterialien bei der Arbeit mit Schall aufgrund einiger Schwierigkeiten noch nicht sehr verbreitet: Dicke, die nicht den Wellenlängen entspricht; Gerät statisch und begrenzter Frequenzbereich.

Für Wissenschaftler sind diese Einschränkungen eine Herausforderung, die sie mutig annehmen. Sie entwickelten eine neue Methode zum Entwerfen von Metamaterialien, die Linsen ähneln, jedoch nicht für Licht, sondern für Ton. Gleichzeitig konnten die oben genannten Einschränkungen umgangen werden. Wie genau werden wir genauer analysieren.

Metamaterial Design

Die Forscher identifizieren vier Hauptschritte bei der Erstellung eines Metamaterials:

• die Wahl seiner Funktionen (was es mit Ton tun soll);
• Umwandlung dieser Informationen in eine ähnliche Phasen- / Intensitätsverteilung ( 2a ) auf der Oberfläche des Metamaterials (nachstehend Metaoberfläche);
• Auswahl von Arbeitszellen ( 2a );
• Schaffung einer Metaoberfläche unter Berücksichtigung der räumlichen und Amplituden-Frequenz-Eigenschaften ( 2b ).

Bild Nr. 2: (a) - Vergleich zweier Phasenprofile; (b) - COMSOL-Transmissionssimulation der Zelle Nr. 15, skaliert so, dass ihre Basis 10,4 mm beträgt; (c) - Funktionsprinzip einer Zelle vom Typ B.

Es versteht sich, dass die Verteilung des Schalldrucks, der durch das Gerät fließt, von der zukünftigen Funktion der Metaoberfläche abhängt. Dementsprechend spielen die Geometrie der Metaoberfläche und die Intensitätsverteilung eine wichtige Rolle.

Wissenschaftler wissen offensichtlich genau, was sie von ihrer Schöpfung erwarten - um sich wie eine Linse zu verhalten, aber für den Klang. In diesem Fall wird die Linse durch zwei Parameter charakterisiert: Brennweite und physikalische Größe (im Fall einer Metaoberfläche, wie viele Zellen die Linse einnimmt).

Sobald die gewünschte Brennweite ( f ) entlang der Linsenachse (ˆz) eingestellt ist, wird die Phasenverteilung φ (x, y) auf der Metaoberfläche (es wird angenommen, dass sie in der z = 0-Ebene liegt) erhalten, indem behauptet wird, dass alle Beiträge der Zellen eintreten in Phase ein (0, 0, f ). Für diese spezielle Arbeit verwendeten Wissenschaftler ein parabolisches Profil:

φ ( r ) = φ ₀ - A ² (x ² + y ² )

wobei φ (x, y) die auf die Zelle bezogene lokale Phase ist, A eine auf die lokale Krümmung des Phasenprofils bezogene Konstante ist, λ ₀ die berechnete Wellenlänge ist und φ ₀ eine beliebige Konstante ist.

Das parabolische Phasenprofil in der Optik ermöglicht es, kompaktere Linsen zu erhalten, daher ist auch die entworfene Metaoberfläche klein. Zusätzlich verbindet ein solches Profil den Parameter A mit der "Krümmung" der Linse, dh je größer A, desto mehr wird die Fokussierlinse erhalten ( 2a ).

Nach dem Festlegen von φ (x, y) muss ausgewählt werden, welche Zellen auf der Metaoberfläche betroffen sein sollen. Es ist auch zu berücksichtigen, dass die Zelle umso größer sein sollte, je niedriger die Frequenz ist.

In der Studie verwendeten wir ein 16-Zellen-Metaoberflächenmodell: rechteckige Quader mit einer Größe von ~ 4,3 x 4,3 x 8,6 mm, die für eine maximale Übertragung (~ 97% des Eingangsschalls) bei f ₀ ± Δ f _2dB = 40 ± 1 kHz ausgelegt sind. Der einfachste Weg, ein solches Modell bei einer anderen Frequenz ( f ) anzuwenden, ist die Skalierung: Ändern Sie die Größe jedes Quaders, bis seine Dicke der neuen Wellenlänge λ = c ₀ / f entspricht (wobei c ₀ ~ 343 m / s die Schallgeschwindigkeit in Luft ist). .

Bei der neuen Frequenz legt jede der Zellen die gleiche Phasenverzögerung im Bereich von 0 bis 2 & pgr; an, während alle den gleichen Durchsatz wie bei f _{0 haben} .

Wissenschaftler stellen fest, dass ein unter f ₀ entworfener Quader bei verschiedenen Frequenzen dieselbe Transmission aufweist ( 2b ). Diese Frequenzen sind wie folgt definiert:

f _j = f ₀ - j ⋅ c ₀ / L _eff

wobei j = 0, 1, 2 ... N eine ganze Zahl ist, L _eff der berechnete Parameter einer bestimmten Zelle ist, N = rund (L _eff / λ ₀ ) eine (ganze Zahl) ist, wie oft L _eff eine Wellenlänge enthält.

Daraus folgt, dass es möglich ist, mit Zellen bei einer der Frequenzen f _j ( 2s ) zu arbeiten, wobei eine Übertragung unterstützt wird, die mit der bei f ₀ vergleichbar ist.

Während der Tests wurde die Frequenz f ₀ = 5.600 Hz verwendet. Diese Frequenz entspricht einer Wellenlänge von 6 cm. Sie wurde ausschließlich aufgrund technischer Einschränkungen gewählt (ein 3D-Drucker konnte keine größeren Zellen drucken). Laut Wissenschaftlern wirkt sich diese Einschränkung bei Tests angesichts der Skalierbarkeit ihres Modells jedoch nicht auf die Schlussfolgerungen aus.

Es wurden zwei Arten von Linsen verwendet:

• Typ A wird erhalten, indem die Zellen so skaliert werden, dass ihre erste Resonanz (j = 0) 5,6 kHz beträgt und die Dicke äquivalent zu λ ₀ (d. H. 60 mm) ist. Jede der Linsen dieses Typs besteht aus einem Array von 8 x 8 Zellen, und die Gesamtgröße beträgt 240 x 240 x 60 mm ( 1a , links). Die _{Linsenbandbreite} beträgt 2 ⋅ Δf _2dB ∼ 0. 05 ⋅ f ₀ .
• Typ B wird durch Skalieren der Zellen erhalten, so dass ihre zweite Resonanz 5,600 Hz beträgt. Jede Linse dieses Typs besteht aus einer Anordnung von 10 × 10 Zellen, und die Gesamtgröße beträgt 104 × 104 mm bei einer Dicke von 20,8 mm ( 1a , rechts). Der Durchsatz von Typ B ist ebenfalls ziemlich groß. Berechnungen zeigten, dass es 2 ⋅ Δf _2dB ∼ 0,28 ⋅ f _{0 ist} . Der Hauptnachteil von Typ B-Objektiven ist der folgende: Da das 16-Zellen-Modell nur einen Teil des Phasenraums abdeckt, kann mit einem Objektiv fester Größe nur eine begrenzte Anzahl von Brennweiten realisiert werden.

In der obigen Grafik sehen wir die Simulationsergebnisse, die zeigen, dass bei Verwendung eines 10x10-Objektivs die maximale Brennweite 57 mm beträgt. Das heißt, um die Brennweite zu erhöhen, muss das Objektiv vergrößert werden.

Die Hauptpunkte bei der Gestaltung der Metaoberfläche sind uns klar geworden. Nun werden wir beschreiben, wie all dies in Form von Prototypen in die Praxis umgesetzt wurde.

Akustischer Kollimator

Angesichts der oben genannten Erfolge konnten die Forscher einen akustischen Kollimator erstellen - ein System, das die geometrische Divergenz der Quelle korrigiert, wodurch der Schall am Ausgang räumlich in Form eines Strahls dargestellt wird. Einfach ausgedrückt, der Klang breitet sich nicht aus, wo immer er will, sondern bildet einen fokussierten Strahl.



Das Bild oben zeigt, wie sich Schall ohne Metamaterial (blaues Feld) und mit Metamaterial (rotes Feld) ausbreitet.

In der Optik werden Kollimatoren sowohl in Leuchtfeuern zur Projektion von Licht über große Entfernungen als auch bei der Herstellung von Scheinwerfern verwendet. Bei solchen Vorrichtungen befindet sich die Linse in einem Abstand von der Lichtquelle, der der Brennweite der Vorrichtung entspricht, wodurch sich die einfallende Welle in einen parallelen Strahl verwandelt.

Im Fall eines akustischen Kollimators befand sich eine Metamateriallinse vom Typ A in einem Abstand von 150 ± 2 mm von der Schallquelle.


Bild Nr. 3: Leistung und Installationsdiagramm des akustischen Kollimators.

Grafik 3a im obigen Bild zeigt, dass der Schalldruck, der in unterschiedlichen Abständen von der Schallquelle gemessen wird, mit einem Objektiv viel größer ist als ohne. Die Winkelstrahlung, gemessen in einer Entfernung von 4,24 m, zeigt, dass der Divergenzwinkel des Lautsprechers (Schallquelle) aufgrund der Linse von 60 ° ± 1 ° auf 27 ° ± 1 ° abnahm (3b).

Wissenschaftler stellen außerdem fest, dass eine Metamateriallinse die Klangqualität der in Experimenten verwendeten billigen Dynamik verändert hat. Gleichzeitig zeigten Tests im Freien eine signifikante Vergrößerung der Schallwahrnehmungsentfernung: ohne akustischen Kollimator - 10 m, mit Kollimator - 40 m.

Wissenschaftler schlagen vor, dass der Divergenzwinkel durch genauere Einstellung des Abstands zwischen Lautsprecher und akustischer Linse (Kollimator) noch kleiner gemacht werden kann.

Wie kann ein akustischer Kollimator im Leben eingesetzt werden? Die Entwickler dieses Geräts haben mehrere Möglichkeiten:

• Personalisierung von Ton - Projektion von Ton ausschließlich in bestimmte Bereiche des Kinos ( 3s ); unterschiedliche akustische Signale je nach Position im Raum (VR-Headset); die Schaffung verschiedener Schallzonen (zum Beispiel sitzen 3 Personen auf der Couch und jeder hört seinen eigenen zu, ohne die anderen zu stören).
• Steigerung der Lautsprecherleistung - bei Konzerten und in Kinos versuchen sie immer, den Klang so zu optimieren, dass jeder alles hören kann, aber es gibt einen Teil des Publikums, in dem der Klang „minderwertig“ ist. Das 3D- Bild zeigt 2 Lautsprecher, die symmetrisch in verschiedene Richtungen gerichtet sind. In dieser Position gibt es eine Lücke, in der der Klang grob gesagt schlecht ist. Die Verwendung des in dieser Lücke installierten akustischen Kollimators kann dies beheben.
• Verbesserung der räumlichen Empfindlichkeit von akustischen Sensoren.

Akustische Lupe

Bild Nr. 4: Schema und Foto der Installation einer akustischen Lupe.

Wir alle kennen die inhärente Eigenschaft des Bildes eines Detektivs - eine Lupe oder eine Lupe. Wir schauen durch eine Lupe auf etwas und sehen dieses Objekt in vergrößerter Form. Das gleiche passiert mit Ton, wenn Sie eine akustische Lupe verwenden. Im Testaufbau ( 4a ) platzierten Wissenschaftler Metamaterial (Lupe) zwischen Mikrofon und Lautsprecher. Die Position der Lupe wurde eingestellt, bis das vom Mikrofon empfangene Maximalsignal erreicht war. Dadurch wird ein schwacher Klang verstärkt.

Der Umfang der akustischen Lupe ist auch nicht auf eine Option beschränkt:

• Ändern der Position der Quelle - ein Beispiel ist in Abbildung 4b dargestellt : Ein Mann sitzt auf einem Sofa vor einem Fernseher mit eingebautem Lautsprecher. Wenn Sie eine akustische Lupe verwenden, haben Sie das Gefühl, dass sich der Lautsprecher direkt davor befindet.
• Verbesserte Funktionen taktiler Geräte (Tastgefühl in der Luft, Video unten). Solche Technologien stehen in direktem Zusammenhang mit Schall, sind jedoch in der maximalen Entfernung zwischen dem "virtuellen" Objekt und seinem Generator begrenzt. Eine akustische Lupe kann diesen Abstand vergrößern.

Die taktile Technologie erzeugt einen Tastsinn durch Klang.

• Verbesserung des Tonempfangs - Eine akustische Linse kann die räumlichen Eigenschaften eines Mikrofons verändern. Fig. 4d zeigt die Verwendung einer akustischen Lupe, um auf ein bestimmtes Objekt zu fokussieren, das von vielen anderen umgeben ist. Einfach ausgedrückt, mit einer solchen Lupe können Sie nur das hören, was Sie benötigen, und alle damit verbundenen Geräusche und Hintergrundgeräusche eliminieren.
• Schallpegel aus verschiedenen Quellen. Stellen Sie sich vor, Sie sprechen mit zwei Personen in einem großen Raum. Ein Gesprächspartner steht in der Nähe, der zweite ist weit weg. Mit einer akustischen Lupe können Sie beide Gesprächspartner auf dieselbe Weise hören, als ob beide in derselben Entfernung von Ihnen stehen würden (visuelles Beispiel in Bild 4e ).

Akustisches Teleskop

Teleskope werden benötigt, um zu untersuchen, was sehr weit entfernt ist. Eine banale und übertriebene Aussage, die aber nicht ihre Richtigkeit verliert. Teleskope funktionieren aufgrund von zwei Linsen, die sich in einem bestimmten Abstand voneinander befinden. Ein akustisches Teleskop verwendet ebenfalls ein ähnliches Prinzip.



Oben ist ein Foto der Installation eines akustischen Teleskops zu sehen: zwei Linsen aus Metamaterial, deren Abstand mit einer Genauigkeit von 1 mm geändert werden kann, und ein Lautsprecher.

Der Hauptvorteil des Teleskops besteht darin, dass es die Begrenzung der Brennweite eines Objektivs umgehen kann, da zwei verwendet werden. Durch die Möglichkeit, den Abstand zwischen ihnen zu ändern, können Sie die Brennweite ändern.


Bild Nr. 5: Installation eines akustischen Teleskops und Anwendungsbeispiel.

In der Praxis können Sie mit einem akustischen Teleskop Geräusche aus großer Entfernung hören und von vielen anderen Geräuschen isolieren. Abbildung 5b zeigt, dass Sie mit dem akustischen Teleskop eine Person in einer Menschenmenge aus großer Entfernung hören können. Ähnliche Dinge konnten wir in Spionagefilmen beobachten.

Um die Nuancen der Studie genauer kennenzulernen, empfehle ich dringend, dass Sie sich den Bericht der Wissenschaftler ansehen, der unter diesem oder jenem Link verfügbar ist.

Nachwort

Um das oben Gesagte zusammenzufassen, konnten die Forscher ein einfaches und effektives Gerät entwickeln, mit dem Sie den Klang manipulieren können. Fokussieren Sie den Schall an einem Punkt, gleichen Sie den Schallpegel von zwei Quellen aus, isolieren Sie einen bestimmten Schall durch Eliminieren von Geräuschen, verstärken Sie den Schall - all dies kann mit einer Linse aus Metamaterialien erfolgen, die eher einem Belüftungsstopfen oder einer Waffelbackform ähnelt.

Diese Arbeit zeigt, dass ein genaues Verständnis der Natur des Phänomens, physikalisch, chemisch oder biologisch, es Ihnen ermöglicht, die Kontrolle darüber zu erlangen und seine Eigenschaften je nach Situation zu ändern. Bisher nur erraten, wie genau akustische Linsen verwendet werden. Die Wissenschaftler selbst werden hier nicht aufhören und weiter forschen, um ihre Idee zu verbessern.




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