Kustomisasi suara: "lensa" dari metamaterial untuk mengontrol bidang suara

Saat pergi ke bioskop, hal pertama yang kita perhatikan adalah gambarnya. Warna-warna cerah, gambar yang jelas tanpa cacat sangat penting bagi persepsi kita tentang film yang kita tonton. Tapi jangan lupa tentang suaranya. Jika kualitasnya lemah, maka apa pun gambarnya, pengalaman menonton akan manja. Kualitas gambar diberikan lebih banyak perhatian: layar baru, kacamata untuk video 3D, kamera, lensa dan banyak lagi yang sedang dikembangkan. Hari ini kami akan berbicara dengan Anda tentang studi di mana sekelompok ilmuwan memutuskan untuk memperbaiki ketidakadilan ini. Mereka mencurahkan seluruh perhatian, waktu, dan kecerdasan mereka pada suara, atau lebih tepatnya pengembangan perangkat baru yang dapat bekerja dengan suara, seperti dengan cahaya. Sebuah teleskop, kaca pembesar, kolimator dan bahkan lensa varifocal, dan semua ini dengan awalan "akustik". Bagaimana tepatnya para ilmuwan berhasil mencapai kontrol atas gelombang suara, seperti apa perangkat mereka, seberapa sulit untuk membuatnya, dan apa hasil yang ditunjukkan selama pengujian? Kami belajar tentang ini dari laporan kelompok penelitian. Ayo pergi.

Dasar studi

Para ilmuwan mencatat bahwa pembentukan dan pengelolaan bidang suara adalah komponen paling penting dari teknologi modern yang berkaitan dengan reproduksi suara. Sebagai aturan, ini dicapai dengan mengendalikan intensitas atau fase dari sumber suara-generator menggunakan array bertahap. Metode ini memungkinkan Anda untuk mengontrol suara secara real time, namun perangkat semacam ini sering kali besar dan mahal.

Pada gilirannya, cahaya membutuhkan pendekatan yang berbeda jika kita ingin mendapatkan kendali atasnya. Persepsi dapat ditingkatkan melalui detail terkait (filter, lensa, dll.). Mengubah parameter elemen-elemen ini memungkinkan Anda untuk mendapatkan jenis perangkat tertentu dengan sifat uniknya sendiri (kamera dengan fokus otomatis, layar LCD, headset VR, dll.). Manipulasi seperti itu dengan suara belum memungkinkan. Jika kita menginginkan suara terbaik, kita membutuhkan speaker yang besar dan kuat, secara berlebihan.


Gambar No. 1: (a) - perbandingan perkembangan sebelumnya (kiri) dan dijelaskan dalam karya ini (kanan); (B) - konversi kolom standar ke yang directional; (c) - pemasangan lensa akustik fokus.

Metamaterial dapat membantu memecahkan masalah ini. Ciri khas dari bahan-bahan tersebut adalah bahwa sifatnya praktis tidak tergantung pada karakteristik zat dari mana mereka dibuat. Jauh lebih penting bagaimana mereka dibuat, yaitu, struktur, arsitektur, topologi, bentuk, dll. Sayangnya, penggunaan metamaterial dalam bekerja dengan suara belum sangat umum karena beberapa kesulitan: ketebalan yang tidak sesuai dengan panjang gelombang; rentang frekuensi perangkat statis dan terbatas.

Bagi para ilmuwan, keterbatasan ini adalah tantangan yang mereka terima dengan berani. Mereka mengembangkan metode baru untuk merancang bahan metam yang menyerupai lensa, tetapi tidak untuk cahaya, tetapi untuk suara. Pada saat yang sama, adalah mungkin untuk menghindari batasan-batasan di atas. Bagaimana tepatnya kita akan menganalisis secara lebih detail.

Desain Metamaterial

Peneliti mengidentifikasi empat langkah utama dalam proses pembuatan metamaterial:

• pilihan fungsinya (apa yang harus dilakukan dengan suara);
• mengubah informasi ini menjadi distribusi fase / intensitas yang serupa ( 2a ) pada permukaan metamaterial (selanjutnya disebut metasurface);
• pemilihan sel yang bekerja ( 2a );
• pembuatan metasurface, dengan mempertimbangkan keterbatasan dalam hal ruang dan karakteristik frekuensi amplitudo ( 2b ).

Gambar No. 2: (a) - perbandingan profil dua fase; (B) - Simulasi transmisi COMSOL sel # 15, diskalakan sehingga basisnya adalah 10,4 mm; C

Harus dipahami bahwa distribusi tekanan akustik yang melewati perangkat akan tergantung pada fungsi metasurface di masa depan. Dengan demikian, geometri dari permukaan meta dan distribusi intensitas memainkan peran penting.

Para ilmuwan, tentu saja, tahu apa sebenarnya yang mereka hasilkan dari ciptaan mereka - untuk bertindak seperti lensa, tetapi untuk suara. Dalam hal ini, lensa akan ditandai oleh dua parameter: panjang fokus dan ukuran fisik (dalam kasus metasurface, berapa banyak sel yang ditempati lensa).

Setelah panjang fokus yang diinginkan ( f ) diatur sepanjang sumbu lensa (ˆz), distribusi fase φ (x, y) pada metasurface (diasumsikan bahwa ia berada di bidang z = 0) diperoleh dengan menyatakan fakta bahwa semua kontribusi dari sel masuk ke fase aktif (0, 0, f ). Untuk pekerjaan spesifik ini, para ilmuwan menggunakan profil parabola:

φ ( r ) = φ ₀ - A ² (x ² + y ² )

di mana φ (x, y) adalah fase lokal yang terkait dengan sel, A adalah konstanta yang terkait dengan kelengkungan lokal dari profil fase, λ ₀ adalah panjang gelombang yang dihitung, dan φ ₀ adalah konstanta acak.

Profil fase parabola dalam optik memungkinkan seseorang untuk mendapatkan lensa yang lebih kompak, oleh karena itu, permukaan metasur yang dirancang juga akan kecil. Selain itu, profil semacam itu menghubungkan parameter A dengan "kelengkungan" lensa, yaitu, semakin besar A, semakin banyak lensa fokus diperoleh ( 2a ).

Setelah membentuk φ (x, y), perlu untuk memilih sel mana pada wajah metas yang akan terlibat. Penting juga untuk memperhitungkan fakta bahwa semakin rendah frekuensinya, semakin besar sel yang seharusnya.

Dalam penelitian ini, kami menggunakan model metasurface 16-sel: kuboid persegi panjang ~ 4,3 x 4,3 x 8,6 mm, dirancang untuk transmisi maksimum (~ 97% dari suara input) pada f ₀ ± Δ f _2dB = 40 ± 1 kHz. Cara termudah untuk menerapkan model seperti itu pada frekuensi yang berbeda ( f ) adalah dengan skala: mengubah ukuran setiap kuboid sampai ketebalannya sama dengan panjang gelombang baru λ = c ₀ / f (di mana c ₀ ~ 343 m / s adalah kecepatan suara di udara) .

Pada frekuensi baru, masing-masing sel menerapkan penundaan fase yang sama dalam kisaran 0 ... 2π, sementara semuanya memiliki throughput yang sama seperti dengan f ₀ .

Para ilmuwan mencatat bahwa kuboid yang dirancang di bawah f ₀ memiliki transmisi yang sama pada frekuensi yang berbeda ( 2b ). Frekuensi-frekuensi ini didefinisikan sebagai berikut:

f _j = f ₀ - j ⋅ c ₀ / L _eff

di mana j = 0, 1, 2 ... N adalah bilangan bulat, L _eff adalah parameter yang dihitung dari sel tertentu, N = bulat (L _eff / λ ₀ ) adalah jumlah (bilangan bulat) kali ketika L _eff berisi panjang gelombang.

Dari sini dapat disimpulkan bahwa dimungkinkan untuk bekerja dengan sel pada salah satu frekuensi f _j ( 2s ), mendukung transmisi yang sebanding dengan yang ada pada f ₀ .

Selama pengujian, frekuensi f ₀ = 5,600 Hz digunakan. Frekuensi ini sesuai dengan panjang gelombang 6 cm yang dipilih semata-mata karena keterbatasan teknis (printer 3D tidak dapat mencetak sel yang lebih besar). Tetapi, menurut para ilmuwan, mengingat skalabilitas model mereka, batasan ini selama tes tidak mempengaruhi kesimpulan.

Dua jenis lensa digunakan:

• Tipe A diperoleh dengan penskalaan sel, sehingga resonansi pertama mereka (j = 0) adalah 5,6 kHz, dan ketebalannya setara dengan λ ₀ (yaitu 60 mm). Setiap lensa jenis ini terdiri dari susunan sel 8x8, dan ukuran totalnya adalah 240x240x60 mm ( 1a , kiri). Bandwidth lensa adalah 2 ⋅ 2 dari _2dB ∼ 0. 05 ⋅ f ₀ .
• Tipe B diperoleh dengan penskalaan sel, sehingga resonansi keduanya adalah 5,600 Hz. Setiap lensa jenis ini terdiri dari susunan sel 10x10, dan ukuran totalnya adalah 104x104 mm dengan ketebalan 20,8 mm ( 1a , kanan). Throughput tipe B juga cukup besar. Perhitungan menunjukkan bahwa itu adalah 2 ⋅ 2f _2dB ∼ 0.28 ⋅ f ₀ . Kerugian utama dari lensa tipe B adalah sebagai berikut: mengingat bahwa model 16-sel hanya mencakup sebagian dari ruang fase, hanya sejumlah panjang fokus yang dapat direalisasikan dengan lensa ukuran tetap.

Pada grafik di atas, kita dapat melihat hasil simulasi, yang menunjukkan bahwa dalam kasus menggunakan lensa 10x10, panjang fokus maksimum akan menjadi 57 mm. Artinya, untuk menambah panjang fokus perlu untuk meningkatkan lensa.

Poin utama dalam desain metasurface telah menjadi jelas bagi kami. Sekarang kita akan menjelaskan bagaimana semua ini dipraktikkan dalam bentuk prototipe.

Kolimator akustik

Para peneliti, mengingat pencapaian di atas, mampu menciptakan kolimator akustik - sistem yang mengoreksi divergensi geometrik sumber, sebagai akibatnya suara direpresentasikan secara spasial dalam bentuk balok pada output. Sederhananya, suara tidak menyebar ke mana pun dia inginkan, tetapi membentuk sinar yang terfokus.



Gambar di atas menunjukkan bagaimana suara merambat tanpa metamaterial (bidang biru) dan dengan metamaterial (medan merah).

Dalam optik, kolimator digunakan baik dalam suar untuk memproyeksikan cahaya jarak jauh, dan dalam produksi lampu sorot. Dalam perangkat semacam itu, lensa terletak pada jarak dari sumber cahaya yang sama dengan panjang fokus perangkat, yang dengannya gelombang datang berubah menjadi sinar paralel.

Dalam kasus kolimator akustik, lensa metamaterial tipe A terletak pada jarak 150 ± 2 mm dari sumber suara.


Gambar No. 3: kinerja kolimator akustik dan diagram instalasi.

Grafik 3a pada gambar di atas menunjukkan bahwa tekanan akustik yang diukur pada jarak yang berbeda dari sumber suara jauh lebih besar dengan lensa daripada tanpa itu. Radiasi sudut, diukur pada jarak 4,24 m, menunjukkan bahwa sudut divergensi speaker (sumber suara) akibat lensa menurun dari 60 ° ± 1 ° ke 27 ° ± 1 ° (3b).

Para ilmuwan juga mencatat bahwa lensa metamaterial telah mengubah kualitas suara dari dinamika murah yang digunakan dalam percobaan. Selain itu, tes luar menunjukkan peningkatan signifikan dalam jarak persepsi suara: tanpa kolimator akustik - 10 m, dengan kolimator - 40 m.

Para ilmuwan berpendapat bahwa sudut divergensi dapat dibuat lebih kecil dengan menyesuaikan jarak antara speaker dan lensa akustik (kolimator) secara lebih akurat.

Bagaimana kolimator akustik dapat digunakan dalam kehidupan? Pengembang perangkat ini memiliki beberapa opsi:

• Personalisasi suara - memproyeksikan suara secara eksklusif ke area tertentu dari bioskop ( 3s ); sinyal akustik berbeda tergantung pada posisi di angkasa (VR-headset); penciptaan zona suara yang berbeda (misalnya, 3 orang duduk di sofa dan semua orang mendengarkan suaranya sendiri, tanpa mengganggu yang lain).
• Meningkatkan kinerja speaker - di konser dan di bioskop, mereka selalu mencoba untuk mengoptimalkan suara sehingga semua orang dapat mendengar semuanya, tetapi ada bagian dari audiens di mana suara itu "lebih rendah". Gambar 3d menunjukkan 2 speaker diarahkan secara simetris ke arah yang berbeda. Dalam posisi ini, ada celah di mana suara akan buruk, secara kasar. Menggunakan kolimator akustik yang dipasang di celah ini dapat memperbaikinya.
• Meningkatkan sensitivitas spasial sensor akustik.

Kaca pembesar akustik

Gambar No. 4: skema dan foto pemasangan kaca pembesar akustik.

Kita semua akrab dengan atribut bawaan dari gambar seorang detektif - kaca pembesar atau kaca pembesar. Kami melihat melalui kaca pembesar pada sesuatu dan melihat objek ini dalam bentuk yang diperbesar. Hal yang sama terjadi dengan suara jika Anda menggunakan kaca pembesar akustik. Dalam pengaturan uji ( 4a ), para ilmuwan menempatkan metamaterial (kaca pembesar) antara mikrofon dan speaker. Posisi kaca pembesar disesuaikan sampai sinyal maksimum yang diterima mikrofon tercapai. Karena ini, suara yang lemah diperkuat.

Lingkup kaca pembesar akustik juga tidak terbatas pada satu opsi:

• Mengubah posisi sumber - contoh ditunjukkan pada diagram 4b : seorang pria duduk di sofa di depan TV dengan speaker internal. Jika Anda menggunakan kaca pembesar akustik, Anda merasa bahwa speaker tepat di depannya.
• Peningkatan kemampuan perangkat sentuhan (perasaan sentuhan di udara, video di bawah). Teknologi tersebut secara langsung terkait dengan suara, tetapi terbatas pada jarak maksimum antara objek "virtual" dan generatornya. Kaca pembesar akustik dapat meningkatkan jarak ini.

Teknologi taktil menciptakan rasa sentuhan melalui suara.

• Meningkatkan penerimaan suara - lensa akustik dapat mengubah karakteristik spasial mikrofon. Gambar 4d menunjukkan penggunaan kaca pembesar akustik untuk fokus pada objek tertentu, dikelilingi oleh banyak lainnya. Sederhananya, kaca pembesar semacam itu akan memungkinkan Anda untuk hanya mendengarkan apa yang Anda butuhkan, menghilangkan semua suara yang terkait dan latar belakang.
• Leveling suara dari berbagai sumber. Bayangkan Anda berbicara dengan dua orang di sebuah ruangan besar. Satu lawan bicara berdiri di dekatnya, yang kedua jauh. Kaca pembesar akustik memungkinkan Anda untuk mendengar kedua lawan bicara dengan cara yang sama, seolah-olah mereka berdua berdiri pada jarak yang sama dari Anda (contoh visual pada gambar 4e ).

Teleskop akustik

Dibutuhkan teleskop untuk mempelajari apa yang sangat jauh. Pernyataan yang dangkal dan berlebihan, tetapi dari itu tidak kehilangan kebenarannya. Teleskop berfungsi karena dua lensa terletak pada jarak tertentu dari satu sama lain. Teleskop akustik juga menggunakan prinsip serupa.



Di atas adalah foto pemasangan teleskop akustik: dua lensa metamaterial, jarak antara yang dapat diubah dengan akurasi 1 mm, dan seorang pembicara.

Keuntungan utama teleskop adalah dapat menghindari batasan panjang fokus satu lensa, karena dua lensa digunakan, dan kemampuan untuk mengubah jarak di antara keduanya memungkinkan Anda untuk mengubah panjang fokus.


Gambar No. 5: pemasangan teleskop akustik dan contoh aplikasi.

Dalam praktiknya, teleskop akustik memungkinkan Anda untuk mendengar suara yang datang dari jarak jauh, dan mengisolasinya dari banyak suara lainnya. Gambar 5b menunjukkan bahwa teleskop akustik memungkinkan Anda untuk mendengar seseorang di tengah kerumunan pada jarak yang sangat jauh. Kita bisa mengamati hal serupa dalam film mata-mata.

Untuk seorang kenalan yang lebih mendetail dengan nuansa penelitian, saya sangat menyarankan Anda melihat laporan para ilmuwan yang tersedia di tautan ini atau ini .

Epilog

Untuk meringkas di atas, para peneliti dapat membuat perangkat sederhana dan efektif yang memungkinkan Anda untuk memanipulasi suara. Fokuskan suara pada satu titik, menyamakan level suara dari dua sumber, mengisolasi suara tertentu dengan menghilangkan kebisingan, memperkuat suara - semua ini dapat dilakukan dengan menggunakan lensa yang terbuat dari bahan metam, lebih seperti colokan ventilasi atau bentuk untuk wafer pembuatan kue.

Karya ini menunjukkan bahwa pemahaman yang akurat tentang sifat fenomena, fisik, kimia atau biologis, memungkinkan Anda untuk mengendalikannya dan mengubah sifat-sifatnya seperti yang dipersyaratkan oleh situasi. Sejauh ini, hanya menebak-nebak bagaimana tepatnya lensa akustik akan digunakan. Para ilmuwan sendiri tidak akan berhenti di situ dan akan terus melakukan penelitian untuk meningkatkan gagasan mereka.




Terima kasih telah tinggal bersama kami. Apakah Anda suka artikel kami? Ingin melihat materi yang lebih menarik? Dukung kami dengan melakukan pemesanan atau merekomendasikannya kepada teman-teman Anda, diskon 30% untuk pengguna Habr pada analog unik dari server entry-level yang kami temukan untuk Anda: Seluruh kebenaran tentang VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps dari $ 20 atau bagaimana membagi server? (opsi tersedia dengan RAID1 dan RAID10, hingga 24 core dan hingga 40GB DDR4).

VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps hingga musim panas gratis ketika membayar untuk jangka waktu enam bulan, Anda dapat memesan di sini .

Dell R730xd 2 kali lebih murah? Hanya kami yang memiliki 2 x Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 TV dari $ 199 di Belanda! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - mulai dari $ 99! Baca tentang Cara Membangun Infrastruktur Bldg. kelas menggunakan server Dell R730xd E5-2650 v4 seharga 9.000 euro untuk satu sen?