ध्वनि अनुकूलन: ध्वनि क्षेत्र को नियंत्रित करने के लिए मेटामेट्री से "लेंस"

सिनेमा में जाते समय सबसे पहले हम जिस चीज पर ध्यान देते हैं वह है तस्वीर। चमकीले रंग, बिना किसी दोष के एक स्पष्ट छवि फिल्म की हमारी धारणा के लिए बहुत महत्व रखती है जो हम देख रहे हैं। लेकिन ध्वनि के बारे में मत भूलना। अगर इसकी गुणवत्ता लचर है, तो तस्वीर जो भी हो, देखने का अनुभव खराब हो जाएगा। छवि गुणवत्ता पर अधिक ध्यान दिया जाता है: नई स्क्रीन, 3 डी वीडियो के लिए चश्मा, कैमरे, लेंस और बहुत कुछ, बहुत अधिक विकसित किया जा रहा है। आज हम आपसे एक अध्ययन के बारे में बात करेंगे जिसमें वैज्ञानिकों के एक समूह ने इस अन्याय को ठीक करने का निर्णय लिया। उन्होंने अपना सारा ध्यान, समय और बुद्धिमत्ता ध्वनि को समर्पित कर दिया, या एक नए उपकरण के विकास के लिए, जो ध्वनि के साथ काम कर सकता है, जैसे प्रकाश। एक टेलीस्कोप, एक आवर्धक काँच, एक कोलाइमर और यहां तक ​​कि एक वैरफोकल लेंस, और यह सब उपसर्ग "ध्वनिक" के साथ होता है। ध्वनि तरंगों पर नियंत्रण हासिल करने के लिए वैज्ञानिकों ने कितना सही प्रबंधन किया, उनका उपकरण कैसा है, इसे बनाना कितना कठिन है और परीक्षणों के दौरान इसके क्या परिणाम सामने आए? हम इस बारे में अनुसंधान समूह की रिपोर्ट से सीखते हैं। चलो चलते हैं।

अध्ययन का आधार

वैज्ञानिक ध्यान दें कि ध्वनि क्षेत्रों का निर्माण और प्रबंधन ध्वनि प्रजनन से संबंधित आधुनिक तकनीकों का सबसे महत्वपूर्ण घटक है। एक नियम के रूप में, यह चरणबद्ध सरणियों का उपयोग करके ध्वनि स्रोत-जनरेटर की तीव्रता या चरण को नियंत्रित करके प्राप्त किया जाता है। यह विधि आपको वास्तविक समय में ध्वनि को नियंत्रित करने की अनुमति देती है, हालांकि, इस तरह के उपकरण अक्सर भारी और महंगे होते हैं।

बदले में, प्रकाश को एक अलग दृष्टिकोण की आवश्यकता होती है यदि हम इस पर नियंत्रण प्राप्त करना चाहते हैं। संबंधित विवरण (फिल्टर, लेंस, आदि) के माध्यम से धारणा में सुधार किया जा सकता है। इन तत्वों के मापदंडों को बदलने से आपको अपने स्वयं के अनूठे गुणों (ऑटोफोकस, एलसीडी डिस्प्ले, वीआर हेडसेट, आदि के साथ कैमरे) के साथ एक निश्चित प्रकार का उपकरण प्राप्त करने की अनुमति मिलती है। ध्वनि के साथ इस तरह की जोड़तोड़ अभी तक संभव नहीं है। यदि हम सबसे अच्छी ध्वनि चाहते हैं, तो हमें बड़े और शक्तिशाली वक्ताओं की आवश्यकता है, अतिरंजित रूप से बोलना।


छवि नंबर 1: (ए) - पिछले घटनाक्रम (बाएं) की तुलना और इस काम में वर्णित (दाएं); (बी) - एक दिशात्मक कॉलम को एक दिशात्मक एक में बदलना; (c) - एक फोकसिंग ध्वनिक लेंस की स्थापना।

Metamaterials इस समस्या को हल करने में मदद कर सकते हैं। ऐसी सामग्रियों की एक विशिष्ट विशेषता यह है कि उनके गुण व्यावहारिक रूप से उन पदार्थों की विशेषताओं पर निर्भर नहीं करते हैं जिनसे वे बने हैं। यह अधिक महत्वपूर्ण है कि वे वास्तव में कैसे बने हैं, अर्थात संरचना, वास्तुकला, टोपोलॉजी, रूप, आदि क्या हैं। दुर्भाग्य से, ध्वनि के साथ काम में मेटामेट्रिक्स का उपयोग कुछ कठिनाइयों के कारण अभी तक बहुत आम नहीं है: मोटाई जो तरंगदैर्ध्य के अनुरूप नहीं है; डिवाइस स्थिर और सीमित आवृत्ति रेंज।

वैज्ञानिकों के लिए, ये सीमाएं एक चुनौती है जिसे वे साहसपूर्वक स्वीकार करते हैं। उन्होंने मेटामेट्रिक्स को डिजाइन करने के लिए एक नया तरीका विकसित किया जो लेंस जैसा दिखता है, लेकिन प्रकाश के लिए नहीं, बल्कि ध्वनि के लिए। उसी समय, हम उपरोक्त सीमाओं को दरकिनार करने में कामयाब रहे। हम कैसे और अधिक विस्तार से विश्लेषण करेंगे।

मेटामेट्री डिज़ाइन

शोधकर्ता मेटामेट्री बनाने की प्रक्रिया में चार मुख्य चरणों की पहचान करते हैं:

• अपने कार्यों की पसंद (यह ध्वनि के साथ क्या करना चाहिए);
• इस जानकारी को मेटामेट्री की सतह पर एक समान चरण / तीव्रता वितरण ( 2a ) में परिवर्तित करना (इसके बाद मेटासुरफेस);
• कामकाजी कोशिकाओं का चयन ( 2 ए );
• अंतरिक्ष और आयाम-आवृत्ति विशेषताओं ( 2 बी ) के संदर्भ में सीमाओं को ध्यान में रखते हुए एक मेटासुरफेस का निर्माण।

छवि नंबर 2: (ए) - दो चरण प्रोफाइल की तुलना; (b) - सेल # 15 का COMSOL ट्रांसमिशन सिमुलेशन, स्केल किया गया ताकि इसका आधार 10.4 मिमी हो; (ग) - कोशिका प्रकार बी के आपरेशन के सिद्धांत

यह समझना चाहिए कि डिवाइस के माध्यम से गुजरने वाले ध्वनिक दबाव का वितरण भविष्य के मेटासुरफेस पर निर्भर करेगा। तदनुसार, मेटासुरफेस की ज्यामिति और तीव्रता वितरण महत्वपूर्ण भूमिका निभाते हैं।

वैज्ञानिक, जाहिर है, जानते हैं कि वे वास्तव में अपनी रचना से क्या कहते हैं - एक लेंस की तरह कार्य करने के लिए, लेकिन ध्वनि के लिए। इस मामले में, लेंस को दो मापदंडों की विशेषता होगी: फोकल लंबाई और भौतिक आकार (मेटासुरफेस के मामले में, लेंस कितने सेल में रहता है)।

एक बार जब वांछित फोकल लंबाई ( f ) लेंस अक्ष (,z) के साथ सेट हो जाती है, तो मेटासुरफेस पर चरण वितरण φ (x, y) (इसे z = 0 विमान में माना जाता है) इस तथ्य को स्वीकार करते हुए प्राप्त होता है कि कोशिकाओं से सभी योगदान दर्ज होते हैं चरण पर (0, 0, एफ )। इस विशिष्ट कार्य के लिए, वैज्ञानिकों ने एक परवलयिक प्रोफ़ाइल का उपयोग किया:

= ( r ) = = ₀ - A ² (x ² + y ² )

जहाँ where (x, y) सेल से संबंधित स्थानीय चरण है, A चरण प्रोफ़ाइल के स्थानीय वक्रता से संबंधित एक निरंतर है, λ ₀ गणना तरंग दैर्ध्य है, और is ₀ एक मनमाना स्थिरांक है।

प्रकाशिकी में परवलयिक चरण प्रोफ़ाइल एक को और अधिक कॉम्पैक्ट लेंस प्राप्त करने की अनुमति देता है, इसलिए, डिज़ाइन किया गया मेटासुरफेस भी छोटा होगा। इसके अलावा, इस तरह के एक प्रोफाइल लेंस के "वक्रता" के साथ पैरामीटर ए को जोड़ता है, अर्थात् बड़ा ए, जितना अधिक फोकस लेंस प्राप्त होता है ( 2 ए )।

Establishing (x, y) की स्थापना के बाद, यह चुनना आवश्यक है कि मेटासुरफेस पर कौन से सेल शामिल होंगे। इस तथ्य को भी ध्यान में रखना आवश्यक है कि आवृत्ति जितनी कम हो, उतना बड़ा सेल होना चाहिए।

अध्ययन में, हमने 16-सेल मेटासुरफेस मॉडल का उपयोग किया: आयताकार क्यूबॉइड ~ 4.3 x 4.3 x 8.6 मिमी आकार, अधिकतम 0 ट्रांसमिशन के लिए डिज़ाइन किया गया (~ 97% इनपुट ध्वनि) f ₀ ± 2 f _{2dB -} 40 ± 1 kHz। इस तरह के मॉडल को एक अलग आवृत्ति ( एफ ) पर लागू करने का सबसे आसान तरीका है: प्रत्येक क्यूबॉइड का आकार बदलना जब तक कि इसकी मोटाई नई तरंग दैर्ध्य λ = c ₀ / f (जहां c ₀ ~ 343 m / s हवा में ध्वनि की गति हो) के बराबर है ।

नई आवृत्ति पर, प्रत्येक कोशिकाएं 0 ... 2 while की सीमा में एक ही चरण की देरी को लागू करती हैं, जबकि उन सभी में f _{0 के} साथ समान प्रवाह होता है।

वैज्ञानिकों ने ध्यान दिया कि एफ _{0 के} तहत डिज़ाइन किए गए एक क्यूबॉइड का अलग-अलग आवृत्तियों ( 2 बी ) पर समान संचरण होता है। इन आवृत्तियों को निम्नानुसार परिभाषित किया गया है:

f _j = f ₀ - j ₀ c ₀ / L _eff

जहाँ j = 0, 1, 2 ... N एक पूर्णांक है, L _eff एक विशेष सेल के परिकलित पैरामीटर है, N = राउंड (L _eff / λ ₀ ) एक बार (L) की संख्या होती है जब L _eff में वेवलेंथ होती है।

इस से यह इस प्रकार है कि यह संभव है कि एफ _{0 के} बराबर एक ट्रांसमिशन का समर्थन करते हुए फ्रीक्वेंसी f _j ( 2s ) में से एक पर कोशिकाओं के साथ काम किया जा सके।

परीक्षणों के दौरान, आवृत्ति f ₀ = 5,600 हर्ट्ज का उपयोग किया गया था। यह आवृत्ति 6 ​​सेमी की तरंग दैर्ध्य से मेल खाती है। इसे केवल तकनीकी सीमाओं के कारण चुना गया था (एक 3 डी प्रिंटर बड़ी कोशिकाओं को प्रिंट नहीं कर सकता था)। लेकिन, वैज्ञानिकों के अनुसार, उनके मॉडल की मापनीयता को देखते हुए, परीक्षणों के दौरान यह सीमा निष्कर्षों को प्रभावित नहीं करती है।

दो प्रकार के लेंस का उपयोग किया गया था:

• टाइप ए कोशिकाओं को स्केल करके प्राप्त किया जाता है, ताकि उनकी पहली प्रतिध्वनि (j = 0) 5.6 kHz हो, और मोटाई λ ₀ (यानी 60 मिमी) के बराबर हो। इस प्रकार के प्रत्येक लेंस में 8x8 कोशिकाओं की एक सरणी होती है, और कुल आकार 240x240x60 मिमी ( 1 ए , बाएं) होता है। लेंस बैंडविड्थ 2 ⋅ df _2dB ⋅ 0. 05। F _{0 है} ।
• टाइप बी कोशिकाओं को स्केल करके प्राप्त किया जाता है, ताकि उनका दूसरा अनुनाद 5.600 हर्ट्ज हो। इस प्रकार के प्रत्येक लेंस में 10x10 कोशिकाओं की एक सरणी होती है, और 20.8 मिमी ( 1 ए , दाएं) की मोटाई के साथ कुल आकार 104x104 मिमी होता है। टाइप बी का थ्रूपुट भी काफी बड़ा है। गणना से पता चला कि यह 2 ⋅ showedf _2dB ⋅ 0.28। F _{0 है} । टाइप बी लेंस का मुख्य नुकसान निम्नलिखित है: यह देखते हुए कि 16-सेल मॉडल चरण स्थान के केवल भाग को कवर करता है, केवल एक सीमित संख्या के फोकल लंबाई को निश्चित आकार के लेंस के साथ महसूस किया जा सकता है।

ऊपर दिए गए ग्राफ़ में, हम सिमुलेशन परिणाम देख सकते हैं, जो बताते हैं कि 10x10 लेंस का उपयोग करने के मामले में, अधिकतम फोकल लंबाई 57 मिमी होगी। यही है, फोकल लंबाई बढ़ाने के लिए लेंस को बढ़ाना आवश्यक है।

मेटासुरफेस के डिजाइन में मुख्य बिंदु हमारे लिए स्पष्ट हो गए हैं। अब हम यह वर्णन करने के लिए आगे बढ़ेंगे कि यह सब कैसे प्रोटोटाइप के रूप में व्यवहार में लाया गया था।

ध्वनिक संपुटक

उपरोक्त उपलब्धियों को देखते हुए, शोधकर्ता एक ध्वनिक कोलेमेटर बनाने में सक्षम थे - एक प्रणाली जो स्रोत के ज्यामितीय विचलन को ठीक करती है, जिसके परिणामस्वरूप आउटपुट में एक बीम के रूप में ध्वनि को स्थानिक रूप से दर्शाया जाता है। सीधे शब्दों में कहें, तो ध्वनि जहां भी वह चाहती है, फैलती नहीं है, बल्कि एक केंद्रित किरण बनाती है।



ऊपर दी गई तस्वीर दिखाती है कि ध्वनि मेटामेट्री (नीला क्षेत्र) और मेटामेट्री (लाल क्षेत्र) के बिना कैसे फैलती है।

प्रकाशिकी में, लंबी दूरी पर प्रकाश को प्रक्षेपित करने के लिए और स्पॉटलाइट्स के उत्पादन में, दोनों के लिए बीकन में कोलिमर का उपयोग किया जाता है। ऐसे उपकरणों में, लेंस प्रकाश स्रोत से डिवाइस की फोकल लंबाई के बराबर दूरी पर स्थित होता है, जिसके कारण घटना की लहर एक समानांतर बीम में बदल जाती है।

ध्वनिक कोलाइमर के मामले में, टाइप ए मेटामेट्रेट लेंस ध्वनि स्रोत से 150 sound 2 मिमी की दूरी पर स्थित था।


छवि नंबर 3: ध्वनिक कोलेमेटर प्रदर्शन और स्थापना आरेख।

ऊपर की छवि में ग्राफ 3 ए दिखाता है कि ध्वनि स्रोत से अलग दूरी पर मापा गया ध्वनिक दबाव बिना लेंस की तुलना में बहुत अधिक है। कोणीय विकिरण, जिसे 4.24 मीटर की दूरी पर मापा जाता है, यह दर्शाता है कि लेंस के कारण स्पीकर (ध्वनि स्रोत) का विचलन कोण 60 ° ° 1 ° से 27 ° ° 1 ° (3b) तक घट गया।

वैज्ञानिकों ने यह भी ध्यान दिया कि एक मेटामेट्रिक लेंस ने प्रयोगों में प्रयुक्त सस्ते गतिकी की ध्वनि की गुणवत्ता को बदल दिया है। उसी समय, खुली हवा में परीक्षणों ने ध्वनि धारणा की दूरी में उल्लेखनीय वृद्धि दिखाई: एक ध्वनिक कोलेमेटर के बिना - 10 मीटर, एक कोलिमर के साथ - 40 मीटर।

वैज्ञानिकों का सुझाव है कि विचलन कोण को स्पीकर और ध्वनिक लेंस (कोलाइमेटर) के बीच की दूरी को अधिक सटीक रूप से समायोजित करके और भी छोटा किया जा सकता है।

जीवन में एक ध्वनिक समापक का उपयोग कैसे किया जा सकता है? इस उपकरण के डेवलपर्स के पास कई विकल्प हैं:

• ध्वनि का निजीकरण - विशेष रूप से सिनेमा के कुछ क्षेत्रों ( 3 एस ) में ध्वनि को पेश करना; अंतरिक्ष में स्थिति (वीआर-हेडसेट) के आधार पर विभिन्न ध्वनिक संकेत; विभिन्न ध्वनि क्षेत्रों का निर्माण (उदाहरण के लिए, 3 लोग सोफे पर बैठे हैं और हर कोई अपनी खुद की बात सुन रहा है, दूसरों को परेशान किए बिना)।
• वक्ताओं के प्रदर्शन में वृद्धि - संगीत और सिनेमाघरों में, वे हमेशा ध्वनि को अनुकूलित करने की कोशिश करते हैं ताकि हर कोई सब कुछ सुन सके, लेकिन दर्शकों का एक हिस्सा है जहां ध्वनि "हीन" है। 3 डी छवि अलग-अलग दिशाओं में 2 वक्ताओं को सममित रूप से निर्देशित करती है। इस स्थिति में, एक अंतर है जहां ध्वनि खराब होगी, मोटे तौर पर बोलना। इस अंतर में स्थापित ध्वनिक समापक का उपयोग करके इसे ठीक किया जा सकता है।
• ध्वनिक सेंसर की स्थानिक संवेदनशीलता में सुधार।

ध्वनिक आवर्धक

छवि नंबर 4: एक ध्वनिक आवर्धक की स्थापना की योजना और फोटो।

हम सभी एक जासूस की छवि के अंतर्निहित विशेषता से परिचित हैं - एक आवर्धक कांच या एक आवर्धक कांच। हम एक आवर्धक कांच के माध्यम से किसी चीज को देखते हैं और इस वस्तु को बढ़े हुए रूप में देखते हैं। यदि आप ध्वनिक आवर्धक का उपयोग करते हैं तो ध्वनि के साथ भी यही होता है। परीक्षण सेटअप ( 4 ए ) में, वैज्ञानिकों ने माइक्रोफोन और स्पीकर के बीच मेटामेट्री (आवर्धक) रखा। मैग्निफाइंग ग्लास की स्थिति को तब तक समायोजित किया गया जब तक कि माइक्रोफ़ोन द्वारा प्राप्त अधिकतम संकेत नहीं मिल गया। इसके कारण, एक कमजोर ध्वनि बढ़ जाती है।

ध्वनिक आवर्धक का दायरा भी एक विकल्प तक सीमित नहीं है:

• स्रोत की स्थिति को बदलना - एक उदाहरण चित्र 4 बी में दिखाया गया है: एक आदमी एक सोफे पर टीवी के सामने एक अंतर्निहित स्पीकर के साथ बैठता है। यदि आप एक ध्वनिक आवर्धक का उपयोग करते हैं, तो आपको यह महसूस होता है कि स्पीकर ठीक इसके सामने है।
• स्पर्श उपकरणों की बढ़ी हुई क्षमता (हवा में स्पर्श की भावना, नीचे वीडियो)। ऐसी तकनीकें सीधे ध्वनि से संबंधित होती हैं, लेकिन "वर्चुअल" ऑब्जेक्ट और इसके जनरेटर के बीच अधिकतम दूरी तक सीमित होती हैं। एक ध्वनिक आवर्धक इस दूरी को बढ़ा सकता है।

स्पर्श तकनीक ध्वनि के माध्यम से स्पर्श की भावना पैदा करती है।

• ध्वनि रिसेप्शन में सुधार - एक ध्वनिक लेंस एक माइक्रोफोन की स्थानिक विशेषताओं को बदल सकता है। चित्र 4d एक विशिष्ट वस्तु पर ध्यान केंद्रित करने के लिए एक ध्वनिक आवर्धक के उपयोग को दर्शाता है, जो कई अन्य लोगों से घिरा हुआ है। सीधे शब्दों में कहें, इस तरह के एक आवर्धक आपको केवल वही सुनने की अनुमति देगा जो आपको आवश्यक है, सभी संबद्ध और पृष्ठभूमि शोरों को समाप्त करना।
• विभिन्न स्रोतों से ध्वनि समतल करना। कल्पना कीजिए कि आप एक बड़े कमरे में दो लोगों के साथ बात कर रहे हैं। एक इंटरलाक्यूटर पास में खड़ा है, दूसरा बहुत दूर है। एक ध्वनिक आवर्धक आपको दोनों वार्ताकारों को उसी तरह सुनने की अनुमति देगा, जैसे कि वे दोनों आपसे एक ही दूरी पर खड़े थे (छवि 4e में दृश्य उदाहरण)।

ध्वनिक दूरबीन

दूर दूर तक अध्ययन करने के लिए दूरबीनों की आवश्यकता होती है। एक सामान्य और अतिरंजित कथन, लेकिन इससे वह अपनी सत्यता नहीं खोता है। टेलिस्कोप एक दूसरे से एक निश्चित दूरी पर स्थित दो लेंसों के कारण काम करते हैं। एक ध्वनिक दूरबीन भी एक समान सिद्धांत का उपयोग करता है।



ऊपर एक ध्वनिक दूरबीन की स्थापना की एक तस्वीर है: मेटामेट्री से दो लेंस, जिनके बीच की दूरी को 1 मिमी की सटीकता और एक स्पीकर के साथ बदला जा सकता है।

टेलीस्कोप का मुख्य लाभ यह है कि यह एक लेंस की फोकल लंबाई की सीमा को कम कर सकता है, क्योंकि दो का उपयोग किया जाता है, और उनके बीच की दूरी को बदलने की क्षमता आपको फोकल लंबाई को बदलने की अनुमति देती है।


छवि संख्या 5: एक ध्वनिक दूरबीन और अनुप्रयोग उदाहरण की स्थापना।

व्यवहार में, एक ध्वनिक दूरबीन आपको लंबी दूरी से आने वाली ध्वनि को सुनने की अनुमति देती है, और इसे कई अन्य ध्वनियों से अलग करती है। चित्रा 5 बी से पता चलता है कि ध्वनिक टेलीस्कोप आपको एक व्यक्ति को एक महान दूरी पर भीड़ में सुनने की अनुमति देता है। हम जासूसी फिल्मों में इसी तरह की चीजों को देख सकते हैं।

अध्ययन की बारीकियों के साथ एक अधिक विस्तृत परिचित के लिए, मैं दृढ़ता से अनुशंसा करता हूं कि आप इस लिंक या इस पर उपलब्ध वैज्ञानिकों की रिपोर्ट पर गौर करें ।

उपसंहार

उपरोक्त को संक्षेप में प्रस्तुत करने के लिए, शोधकर्ता एक सरल और प्रभावी उपकरण बनाने में सक्षम थे जो आपको ध्वनि में हेरफेर करने की अनुमति देता है। ध्वनि को एक बिंदु पर केंद्रित करें, दो स्रोतों से ध्वनि के स्तर को बराबर करें, शोर को समाप्त करके एक निश्चित ध्वनि को अलग करें, ध्वनि को बढ़ाएं - यह सब मेटामेट्रिक्स से बने लेंस का उपयोग करके किया जा सकता है, जैसे वेंटिलेशन प्लग या वफ़र बेकिंग डिश।

यह काम दर्शाता है कि घटना, भौतिक, रासायनिक या जैविक की प्रकृति की एक सटीक समझ, आपको इस पर नियंत्रण पाने और स्थिति के अनुसार इसके गुणों को बदलने की अनुमति देती है। अब तक, केवल अनुमान लगाना कि ध्वनिक लेंस का उपयोग कैसे किया जाएगा। वैज्ञानिक खुद को रोकने के लिए नहीं जा रहे हैं और अपने दिमाग की उपज में सुधार करने के लिए शोध जारी रखेंगे।




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