Personnalisation du son: «lentilles» de métamatériaux pour contrôler le champ sonore

En allant au cinéma, la première chose à laquelle nous prêtons attention est l'image. Des couleurs vives, une image claire et sans défauts sont d'une grande importance pour notre perception du film que nous regardons. Mais n'oubliez pas le son. Si sa qualité est faible, alors quelle que soit l'image, l'expérience de visionnement sera gâchée. La qualité d'image fait l'objet d'une attention accrue: de nouveaux écrans, des lunettes pour la vidéo 3D, des caméras, des objectifs et bien plus encore sont en cours de développement. Aujourd'hui, nous allons vous parler d'une étude dans laquelle un groupe de scientifiques a décidé de corriger cette injustice. Ils ont consacré toute leur attention, leur temps et leur intelligence au son, ou plutôt au développement d'un nouvel appareil capable de fonctionner avec le son, comme avec la lumière. Un télescope, une loupe, un collimateur et même une lentille varifocale, et tout cela avec le préfixe «acoustique». Comment les scientifiques ont-ils réussi à maîtriser les ondes sonores, à quoi ressemble leur appareil, à quel point est-il difficile de le créer et quels résultats ont-ils montré lors des tests? Nous en apprenons à travers le rapport du groupe de recherche. Allons-y.

Base d'étude

Les scientifiques notent que la formation et la gestion des champs sonores est l'élément le plus important des technologies modernes liées à la reproduction sonore. En règle générale, cela est réalisé en contrôlant l'intensité ou la phase du générateur de source sonore à l'aide de réseaux phasés. Cette méthode vous permet de contrôler le son en temps réel, cependant, les appareils de ce type sont souvent encombrants et coûteux.

À son tour, la lumière nécessite une approche différente si nous voulons en prendre le contrôle. La perception peut être améliorée grâce à des détails connexes (filtres, lentilles, etc.). La modification des paramètres de ces éléments vous permet d'obtenir un certain type d'appareil avec ses propres propriétés uniques (caméras avec autofocus, écrans LCD, casques VR, etc.). De telles manipulations avec le son ne sont pas encore possibles. Si nous voulons le meilleur son, nous avons besoin de haut-parleurs grands et puissants, exagérément parlant.


Image n ° 1: (a) - comparaison des développements précédents (à gauche) et décrits dans cet ouvrage (à droite); (b) - conversion d'une colonne standard en colonne directionnelle; (c) - installation d'une lentille acoustique de focalisation.

Les métamatériaux peuvent aider à résoudre ce problème. Une caractéristique distinctive de ces matériaux est que leurs propriétés ne dépendent pratiquement pas des caractéristiques des substances à partir desquelles ils sont fabriqués. Il est beaucoup plus important de savoir exactement comment ils sont fabriqués, c'est-à-dire quelle structure, architecture, topologie, forme, etc. ils ont. Malheureusement, l'utilisation de métamatériaux dans le travail avec le son n'est pas encore très courante en raison de certaines difficultés: épaisseur qui ne correspond pas aux longueurs d'onde; appareil statique et plage de fréquences limitée.

Pour les scientifiques, ces limitations sont un défi qu'ils acceptent avec audace. Ils ont développé une nouvelle méthode pour concevoir des métamatériaux qui ressemblent à des lentilles, mais pas pour la lumière, mais pour le son. Dans le même temps, il a été possible de contourner les limitations ci-dessus. Comment exactement nous analyserons plus en détail.

Conception de métamatériaux

Les chercheurs identifient quatre étapes principales dans le processus de création d'un métamatériau:

• le choix de ses fonctions (ce qu'il doit faire avec le son);
• convertir ces informations en une distribution de phase / intensité similaire ( 2a ) sur la surface du métamatériau (ci-après métasurface);
• sélection de cellules de travail ( 2a );
• création d'une métasurface prenant en compte les limites en termes d'espace et de caractéristiques amplitude-fréquence ( 2b ).

Image n ° 2: (a) - comparaison de profils biphasés; (b) - Simulation de transmission COMSOL de la cellule # 15, mise à l'échelle pour que sa base soit de 10,4 mm; (c) - principe de fonctionnement d'une cellule de type B.

Il faut comprendre que la répartition de la pression acoustique traversant le dispositif dépendra de la fonction future de la métasurface. En conséquence, la géométrie de la métasurface et la distribution d'intensité jouent un rôle important.

De toute évidence, les scientifiques savent ce qu'ils font exactement de leur création - pour agir comme une lentille, mais pour le son. Dans ce cas, la lentille sera caractérisée par deux paramètres: la distance focale et la taille physique (dans le cas d'une métasurface, combien de cellules la lentille occupe).

Une fois que la distance focale souhaitée ( f ) est définie le long de l'axe de la lentille (ˆz), la distribution de phase φ (x, y) sur la métasurface (elle est supposée être dans le plan z = 0) est obtenue en affirmant le fait que toutes les contributions des cellules entrent en phase sur (0, 0, f ). Pour ce travail spécifique, les scientifiques ont utilisé un profil parabolique:

φ ( r ) = φ ₀ - A ² (x ² + y ² )

où φ (x, y) est la phase locale liée à la cellule, A est une constante liée à la courbure locale du profil de phase, λ ₀ est la longueur d'onde calculée et φ ₀ est une constante arbitraire.

Le profil de phase parabolique en optique permet d'obtenir des lentilles plus compactes, par conséquent, la métasurface conçue sera également petite. De plus, un tel profil relie le paramètre A à la «courbure» de l'objectif, c'est-à-dire que plus A est grand, plus l'objectif de focalisation est obtenu ( 2a ).

Après avoir établi φ (x, y), il est nécessaire de choisir quelles cellules de la métasurface seront impliquées. Il est également nécessaire de prendre en compte le fait que plus la fréquence est basse, plus la cellule doit être grande.

Dans l'étude, nous avons utilisé un modèle de métasurface à 16 cellules: des cuboïdes rectangulaires d'environ 4,3 x 4,3 x 8,6 mm, conçus pour une transmission maximale (~ 97% du son d'entrée) à f ₀ ± Δ f _2dB = 40 ± 1 kHz. La façon la plus simple d'appliquer un tel modèle à une fréquence différente ( f ) est de mettre à l'échelle: redimensionner chaque cuboïde jusqu'à ce que son épaisseur soit égale à la nouvelle longueur d'onde λ = c ₀ / f (où c ₀ ~ 343 m / s est la vitesse du son dans l'air) .

À la nouvelle fréquence, chacune des cellules applique le même retard de phase dans la plage 0 ... 2π, alors que toutes ont le même débit qu'avec f ₀ .

Les scientifiques notent qu'un cuboïde conçu sous f ₀ a la même transmission à différentes fréquences ( 2b ). Ces fréquences sont définies comme suit:

f _j = f ₀ - j ⋅ c ₀ / L _eff

où j = 0, 1, 2 ... N est un entier, L _eff est le paramètre calculé d'une cellule particulière, N = round (L _eff / λ ₀ ) est un nombre (entier) de fois où L _eff contient une longueur d'onde.

Il en résulte qu'il est possible de travailler avec des cellules à l'une des fréquences f _j ( 2s ), supportant une transmission comparable à celle qui est à f ₀ .

Lors des tests, la fréquence f ₀ = 5 600 Hz a été utilisée. Cette fréquence correspond à une longueur d'onde de 6 cm, elle a été choisie uniquement pour des raisons techniques (une imprimante 3D ne pouvait pas imprimer des cellules plus grandes). Mais, selon les scientifiques, compte tenu de l'évolutivité de leur modèle, cette limitation lors des tests n'affecte pas les conclusions.

Deux types de verres ont été utilisés:

• Le type A est obtenu en mettant à l'échelle les cellules, de sorte que leur première résonance (j = 0) est de 5,6 kHz et que l'épaisseur est équivalente à λ ₀ (soit 60 mm). Chacune des lentilles de ce type se compose d'un réseau de cellules 8x8, et la taille totale est de 240x240x60 mm ( 1a , à gauche). La largeur de bande de l'objectif est de 2 ⋅ Δf _2dB ∼ 0. 05 ⋅ f ₀ .
• Le type B est obtenu en mettant à l'échelle les cellules, de sorte que leur deuxième résonance soit de 5 600 Hz. Chaque lentille de ce type se compose d'un réseau de 10x10 cellules, et la taille totale est de 104x104 mm avec une épaisseur de 20,8 mm ( 1a , à droite). Le débit de type B est également assez important. Les calculs ont montré qu'elle est de 2 ⋅ Δf _2dB ∼ 0,28 ⋅ f ₀ . Le principal inconvénient des lentilles de type B est le suivant: étant donné que le modèle à 16 cellules ne couvre qu'une partie de l'espace de phase, seul un nombre limité de focales peut être réalisé avec une lentille de taille fixe.

Dans le graphique ci-dessus, nous pouvons voir les résultats de la simulation, qui montrent que dans le cas de l'utilisation d'un objectif 10x10, la distance focale maximale sera de 57 mm. Autrement dit, pour augmenter la distance focale, il est nécessaire d'augmenter l'objectif.

Les principaux points de la conception de la métasurface nous sont apparus clairement. Nous allons maintenant décrire comment tout cela a été mis en pratique sous forme de prototypes.

Collimateur acoustique

Compte tenu des réalisations ci-dessus, les chercheurs ont pu créer un collimateur acoustique - un système qui corrige la divergence géométrique de la source, à la suite de quoi le son est représenté spatialement sous la forme d'un faisceau à la sortie. Autrement dit, le son ne se propage pas où il veut, mais forme un faisceau focalisé.



L'image ci-dessus montre comment le son se propage sans métamatériau (champ bleu) et avec métamatériau (champ rouge).

En optique, les collimateurs sont utilisés à la fois dans les balises pour projeter la lumière sur de longues distances et dans la production de spots. Dans de tels appareils, la lentille est située à une distance de la source lumineuse égale à la distance focale de l'appareil, grâce à quoi l'onde incidente se transforme en un faisceau parallèle.

Dans le cas d'un collimateur acoustique, une lentille de métamatériau de type A était située à une distance de 150 ± 2 mm de la source sonore.


Image n ° 3: performances et schéma d'installation du collimateur acoustique.

Le graphique 3a de l'image ci-dessus montre que la pression acoustique mesurée à différentes distances de la source sonore est beaucoup plus grande avec une lentille qu'avec sans elle. Le rayonnement angulaire, mesuré à une distance de 4,24 m, montre que l'angle de divergence du haut-parleur (source sonore) dû à l'objectif a diminué de 60 ° ± 1 ° à 27 ° ± 1 ° (3b).

Les scientifiques notent également qu'une lentille en métamatériau a changé la qualité sonore d'une dynamique bon marché utilisée dans les expériences. Dans le même temps, les tests en plein air ont montré une augmentation significative de la distance de perception du son: sans collimateur acoustique - 10 m, avec un collimateur - 40 m.

Les scientifiques suggèrent que l'angle de divergence peut être encore réduit en ajustant plus précisément la distance entre le haut-parleur et la lentille acoustique (collimateur).

Comment utiliser un collimateur acoustique dans la vie? Les développeurs de cet appareil ont plusieurs options:

• Personnalisation du son - projection du son exclusivement dans certaines zones du cinéma ( 3s ); différents signaux acoustiques en fonction de la position dans l'espace (casque VR); la création de différentes zones sonores (par exemple, 3 personnes sont assises sur le canapé et chacun écoute la sienne, sans déranger les autres).
• Augmentant les performances des haut-parleurs - lors des concerts et dans les cinémas, ils essaient toujours d'optimiser le son pour que tout le monde puisse tout entendre, mais il y a une partie du public où le son est «inférieur». L'image 3D montre 2 haut-parleurs dirigés symétriquement dans différentes directions. Dans cette position, il y a un écart où le son sera mauvais, grosso modo. L'utilisation du collimateur acoustique installé dans cet espace peut résoudre ce problème.
• Amélioration de la sensibilité spatiale des capteurs acoustiques.

Loupe acoustique

Image n ° 4: schéma et photo de l'installation d'une loupe acoustique.

Nous connaissons tous l'attribut inhérent à l'image d'un détective - une loupe ou une loupe. Nous regardons à travers une loupe quelque chose et voyons cet objet sous une forme agrandie. La même chose se produit avec le son si vous utilisez une loupe acoustique. Dans la configuration de test ( 4a ), les scientifiques ont placé des métamatériaux (loupe) entre le microphone et le haut-parleur. La position de la loupe a été ajustée jusqu'à ce que le signal maximum reçu par le microphone soit atteint. Pour cette raison, un son faible est amplifié.

La portée de la loupe acoustique n'est pas non plus limitée à une seule option:

• Modification de la position de la source - un exemple est illustré dans le diagramme 4b : un homme est assis sur un canapé devant un téléviseur avec un haut-parleur intégré. Si vous utilisez une loupe acoustique, vous avez l'impression que l'enceinte est juste en face d'elle.
• Capacités améliorées des appareils tactiles (sensation de toucher dans l'air, vidéo ci-dessous). Ces technologies sont directement liées au son, mais sont limitées dans la distance maximale entre l'objet "virtuel" et son générateur. Une loupe acoustique peut augmenter cette distance.

La technologie tactile crée un sens du toucher grâce au son.

• Amélioration de la réception du son - une lentille acoustique peut modifier les caractéristiques spatiales d'un microphone. La figure 4d montre l'utilisation d'une loupe acoustique pour se concentrer sur un objet spécifique, entouré de nombreux autres. Autrement dit, une telle loupe vous permettra d'écouter uniquement ce dont vous avez besoin, en éliminant tous les bruits associés et de fond.
• Nivellement du son de différentes sources. Imaginez que vous parlez avec deux personnes dans une grande pièce. Un interlocuteur se tient à proximité, le second est loin. Une loupe acoustique vous permettrait d'entendre les deux interlocuteurs de la même manière, comme s'ils se tenaient tous les deux à la même distance de vous (exemple visuel sur l'image 4e ).

Télescope acoustique

Des télescopes sont nécessaires pour étudier ce qui est très loin. Une déclaration banale et exagérée, mais de là elle ne perd pas sa véracité. Les télescopes fonctionnent grâce à deux lentilles situées à une certaine distance l'une de l'autre. Un télescope acoustique utilise également un principe similaire.



Ci-dessus, une photo de l'installation d'un télescope acoustique: deux lentilles en métamatériau, dont la distance peut être modifiée avec une précision de 1 mm, et un haut-parleur.

Le principal avantage du télescope est qu'il peut contourner la limitation de la distance focale d'un objectif, car deux sont utilisés, et la possibilité de changer la distance entre eux vous permet de changer la distance focale.


Image n ° 5: installation d'un télescope acoustique et exemple d'application.

En pratique, un télescope acoustique vous permet d'entendre le son provenant d'une longue distance et de l'isoler de nombreux autres sons. La figure 5b montre que le télescope acoustique vous permet d'entendre une personne dans une foule à grande distance. Nous avons pu observer des choses similaires dans les films d'espionnage.

Pour une connaissance plus détaillée des nuances de l'étude, je vous recommande fortement de consulter le rapport des scientifiques disponible sur ce lien ou celui-ci .

Épilogue

Pour résumer ce qui précède, les chercheurs ont pu créer un appareil simple et efficace qui vous permet de manipuler le son. Concentrez le son en un point, égalisez le niveau sonore de deux sources, isolez un certain son en éliminant le bruit, amplifiez le son - tout cela peut être fait à l'aide d'une lentille en métamatériaux, plus comme un bouchon de ventilation ou un plat de cuisson à gaufres.

Ce travail démontre qu'une compréhension précise de la nature du phénomène, physique, chimique ou biologique, vous permet d'en prendre le contrôle et de modifier ses propriétés selon les besoins de la situation. Jusqu'à présent, devinez exactement comment les lentilles acoustiques seront utilisées. Les scientifiques eux-mêmes ne vont pas s'arrêter là et continueront à rechercher afin d'améliorer leur idée.




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