Personalização de som: “lentes” de metamaterial para controlar o campo sonoro

Ao ir ao cinema, a primeira coisa que prestamos atenção é a imagem. Cores vivas, uma imagem nítida e sem manchas são de grande importância para nossa percepção do filme que estamos assistindo. Mas não se esqueça do som. Se a qualidade for ruim, seja qual for a imagem, a experiência de visualização será estragada. A qualidade da imagem recebe muito mais atenção: novas telas, óculos para vídeo 3D, câmeras, lentes e muito, muito mais estão sendo desenvolvidos. Hoje falaremos com você sobre um estudo em que um grupo de cientistas decidiu corrigir essa injustiça. Eles dedicaram toda a atenção, tempo e inteligência ao som, ou melhor, ao desenvolvimento de um novo dispositivo que possa funcionar com o som, como a luz. Um telescópio, uma lupa, um colimador e até uma lente varifocal, e tudo isso com o prefixo "acústico". Como exatamente os cientistas conseguiram controlar as ondas sonoras, como é o dispositivo, qual a dificuldade de criá-lo e que resultados ele mostrou durante os testes? Aprendemos sobre isso no relatório do grupo de pesquisa. Vamos lá

Base de estudo

Os cientistas observam que a formação e gerenciamento de campos sonoros é o componente mais importante das modernas tecnologias relacionadas à reprodução sonora. Como regra, isso é conseguido através do controle da intensidade ou fase do gerador de fonte sonora usando matrizes em fases. Esse método permite controlar o som em tempo real; no entanto, dispositivos desse tipo geralmente são volumosos e caros.

Por sua vez, a luz exige uma abordagem diferente se queremos obter controle sobre ela. A percepção pode ser melhorada através de detalhes relacionados (filtros, lentes, etc.). Alterar os parâmetros desses elementos permite obter um certo tipo de dispositivo com suas próprias propriedades exclusivas (câmeras com foco automático, telas de LCD, fones de ouvido VR, etc.). Tais manipulações com o som ainda não são possíveis. Se queremos o melhor som, precisamos de alto-falantes grandes e poderosos, falando exageradamente.


Imagem nº 1: (a) - comparação dos desenvolvimentos anteriores (à esquerda) e descritos neste trabalho (à direita); (b) - conversão de uma coluna padrão em uma direcional; (c) - instalação de uma lente acústica focalizada.

Metamateriais podem ajudar a resolver esse problema. Uma característica distintiva de tais materiais é que suas propriedades praticamente não dependem das características das substâncias das quais são feitas. É muito mais importante como exatamente eles são feitos, ou seja, qual estrutura, arquitetura, topologia, forma etc. eles possuem. Infelizmente, o uso de metamateriais no trabalho com som ainda não é muito comum devido a algumas dificuldades: espessura que não corresponde aos comprimentos de onda; faixa de frequência estática e limitada do dispositivo.

Para os cientistas, essas limitações são um desafio que elas aceitam com ousadia. Eles desenvolveram um novo método para projetar metamateriais que se assemelham a lentes, mas não para luz, mas para som. Ao mesmo tempo, foi possível contornar as limitações acima. Como exatamente analisaremos com mais detalhes.

Design de Metamaterial

Os pesquisadores identificam quatro etapas principais no processo de criação de um metamaterial:

• a escolha de suas funções (o que deve fazer com o som);
• converter esta informação em uma distribuição de fase / intensidade semelhante ( 2a ) na superfície do metamaterial (doravante meta-superfície);
• seleção de células de trabalho ( 2a );
• criação de uma metassuperfície, levando em consideração as limitações em termos de características de espaço e amplitude-frequência ( 2b ).

Imagem No. 2: (a) - comparação de perfis de duas fases; (b) - simulação de transmissão COMSOL da célula nº 15, dimensionada para que sua base seja 10,4 mm; c) - princípio de funcionamento de uma célula do tipo B.

Deve-se entender que a distribuição da pressão acústica que passa pelo dispositivo dependerá da função futura da metassuperfície. Consequentemente, a geometria da metassuperfície e a distribuição da intensidade desempenham um papel importante.

Os cientistas, obviamente, sabem exatamente o que vão desde sua criação - para agir como uma lente, mas pelo som. Nesse caso, a lente será caracterizada por dois parâmetros: distância focal e tamanho físico (no caso de uma metassuperfície, quantas células a lente ocupa).

Uma vez que a distância focal desejada ( f ) é definida ao longo do eixo da lente (ˆz), a distribuição de fase φ (x, y) na metassuperfície (presume-se que esteja no plano z = 0) é obtida afirmando o fato de que todas as contribuições das células entram na fase ativada (0, 0, f ). Para este trabalho específico, os cientistas usaram um perfil parabólico:

φ ( r ) = φ ₀ - A ² (x ² + y ² )

onde φ (x, y) é a fase local relacionada à célula, A é uma constante relacionada à curvatura local do perfil de fase, λ ₀ é o comprimento de onda calculado e φ ₀ é uma constante arbitrária.

O perfil da fase parabólica na óptica permite obter lentes mais compactas; portanto, a meta-superfície projetada também será pequena. Além disso, esse perfil conecta o parâmetro A à “curvatura” da lente, ou seja, quanto maior A, maior a lente de focagem é obtida ( 2a ).

Depois de estabelecer φ (x, y), é necessário escolher quais células da metassuperfície serão envolvidas. Também é necessário levar em conta o fato de que quanto menor a frequência, maior a célula deve ser.

No estudo, usamos um modelo de metassuperfície de 16 células: cuboides retangulares com tamanho de 4,3 x 4,3 x 8,6 mm, projetados para transmissão máxima (~ 97% do som de entrada) em f ₀ ± Δ f _2dB = 40 ± 1 kHz. A maneira mais fácil de aplicar esse modelo em uma frequência diferente ( f ) é dimensionar: redimensione cada cubóide até que sua espessura seja igual ao novo comprimento de onda λ = c ₀ / f (onde c ₀ ~ 343 m / s é a velocidade do som no ar) .

Na nova frequência, cada uma das células aplica o mesmo atraso de fase no intervalo de 0 a 2π, enquanto todas elas têm a mesma taxa de transferência que com f ₀ .

Os cientistas observam que um cubóide projetado sob f ₀ tem a mesma transmissão em diferentes frequências ( 2b ). Essas frequências são definidas da seguinte forma:

f _j = f ₀ - j ⋅ c ₀ / L _ef

onde j = 0, 1, 2 ... N é um número inteiro, L _ef é o parâmetro calculado de uma célula específica, N = arredondado (L _eff / λ ₀ ) é um número (inteiro) de vezes em que L _eff contém um comprimento de onda.

Daí resulta que é possível trabalhar com células em uma das frequências f _j ( 2s ), suportando uma transmissão comparável àquela que está em f ₀ .

Durante os testes, foi utilizada a frequência f ₀ = 5.600 Hz. Essa frequência corresponde a um comprimento de onda de 6 cm e foi escolhida apenas devido a limitações técnicas (uma impressora 3D não conseguiu imprimir células maiores). Mas, de acordo com os cientistas, dada a escalabilidade de seu modelo, essa limitação durante os testes não afeta as conclusões.

Dois tipos de lentes foram utilizados:

• O tipo A é obtido escalonando as células, de modo que sua primeira ressonância (j = 0) seja 5,6 kHz e a espessura é equivalente a λ ₀ (isto é, 60 mm). Cada uma das lentes deste tipo consiste em uma matriz de 8x8 células, e o tamanho total é de 240x240x60 mm ( 1a , esquerda). A largura de banda da lente é 2 Δf _2dB ∼ 0. 05 ⋅ f ₀ .
• O tipo B é obtido escalonando as células, de modo que sua segunda ressonância é de 5.600 Hz. Cada lente deste tipo consiste em uma matriz de células de 10x10, e o tamanho total é de 104x104 mm com uma espessura de 20,8 mm ( 1a , à direita). A taxa de transferência do tipo B também é bastante grande. Os cálculos mostraram que é 2 f _{Δf 2dB} ∼ 0,28 ⋅ f ₀ . A principal desvantagem das lentes tipo B é a seguinte: dado que o modelo de 16 células cobre apenas parte do espaço de fase, apenas um número limitado de distâncias focais pode ser alcançado com uma lente de tamanho fixo.

No gráfico acima, podemos ver os resultados da simulação, que mostram que, no caso de usar uma lente 10x10, a distância focal máxima será de 57 mm. Ou seja, para aumentar a distância focal é necessário aumentar a lente.

Os principais pontos no design da meta-superfície tornaram-se claros para nós. Agora vamos descrever como tudo isso foi colocado em prática na forma de protótipos.

Colimador acústico

Os pesquisadores, dadas as realizações acima, foram capazes de criar um colimador acústico - um sistema que corrige a divergência geométrica da fonte, como resultado do qual o som é representado espacialmente na forma de um feixe na saída. Simplificando, o som não se espalha para onde ele quer, mas forma um feixe focalizado.



A imagem acima mostra como o som se propaga sem metamaterial (campo azul) e com metamaterial (campo vermelho).

Na óptica, os colimadores são usados ​​tanto em faróis para projetar luz a longas distâncias quanto na produção de holofotes. Nesses dispositivos, a lente está localizada a uma distância da fonte de luz igual à distância focal do dispositivo, devido à qual a onda incidente se transforma em um feixe paralelo.

No caso de um colimador acústico, uma lente metamaterial do tipo A estava localizada a uma distância de 150 ± 2 mm da fonte sonora.


Imagem nº 3: desempenho do colimador acústico e diagrama de instalação.

O gráfico 3a na imagem acima mostra que a pressão acústica medida a diferentes distâncias da fonte sonora é muito maior com uma lente do que sem ela. A radiação angular, medida a uma distância de 4,24 m, mostra que o ângulo de divergência do alto-falante (fonte de som) devido à lente diminuiu de 60 ° ± 1 ° para 27 ° ± 1 ° (3b).

Os cientistas também observam que uma lente metamaterial mudou a qualidade do som da dinâmica barata usada em experimentos. Ao mesmo tempo, testes ao ar livre mostraram um aumento significativo na distância da percepção sonora: sem colimador acústico - 10 m, com colimador - 40 m.

Os cientistas sugerem que o ângulo de divergência pode ser ainda menor, ajustando com mais precisão a distância entre o alto-falante e a lente acústica (colimador).

Como um colimador acústico pode ser usado na vida? Os desenvolvedores deste dispositivo têm várias opções:

• Personalização do som - projetando som exclusivamente em determinadas áreas do cinema ( 3s ); sinais acústicos diferentes, dependendo da posição no espaço (headset VR); a criação de diferentes zonas sonoras (por exemplo, três pessoas estão sentadas no sofá e todo mundo está ouvindo o seu, sem incomodar as outras).
• Aumentando o desempenho dos alto-falantes - nos shows e nos cinemas, eles sempre tentam otimizar o som para que todos possam ouvir tudo, mas há uma parte da platéia onde o som é "inferior". A imagem 3d mostra 2 alto-falantes simetricamente direcionados em diferentes direções. Nesta posição, há uma lacuna em que o som será ruim, grosso modo. O uso do colimador acústico instalado nesta lacuna pode corrigir isso.
• Melhorando a sensibilidade espacial dos sensores acústicos.

Lupa acústica

Imagem nº 4: esquema e foto da instalação de uma lente de aumento acústica.

Todos conhecemos o atributo inerente à imagem de um detetive - uma lupa ou uma lupa. Nós olhamos através de uma lupa algo e vemos esse objeto de forma ampliada. O mesmo acontece com o som se você usar uma lupa acústica. Na configuração do teste ( 4a ), os cientistas colocaram o metamaterial (lupa) entre o microfone e o alto-falante. A posição da lupa foi ajustada até o sinal máximo recebido pelo microfone. Devido a isso, um som fraco é amplificado.

O escopo da lupa acústica também não se limita a uma opção:

• Alterando a posição da fonte - um exemplo é mostrado no diagrama 4b : um homem senta-se em um sofá em frente a uma TV com um alto-falante embutido. Se você usar uma lupa acústica, terá a sensação de que o alto-falante está bem na frente dele.
• Recursos aprimorados de dispositivos táteis (sensação de toque no ar, vídeo abaixo). Tais tecnologias estão diretamente relacionadas ao som, mas são limitadas na distância máxima entre o objeto "virtual" e seu gerador. Uma lente de aumento acústica pode aumentar essa distância.

A tecnologia tátil cria uma sensação de toque através do som.

• Melhorando a recepção de som - uma lente acústica pode alterar as características espaciais de um microfone. A Figura 4d mostra o uso de uma lente de aumento acústica para focar em um objeto específico, cercado por muitos outros. Simplificando, essa lente de aumento permitirá que você ouça apenas o que você precisa, eliminando todos os ruídos associados e de fundo.
• Nivelamento de som de diferentes fontes. Imagine que você está conversando com duas pessoas em uma sala grande. Um interlocutor está próximo, o segundo está longe. Uma lente de aumento acústica permitiria ouvir os dois interlocutores da mesma maneira, como se eles estivessem na mesma distância de você (exemplo visual na imagem 4e ).

Telescópio acústico

São necessários telescópios para estudar o que está muito longe. Uma declaração banal e exagerada, mas a partir disso não perde sua veracidade. Os telescópios funcionam devido a duas lentes localizadas a uma certa distância uma da outra. Um telescópio acústico também usa um princípio semelhante.



Acima está uma foto da instalação de um telescópio acústico: duas lentes de metamaterial, cuja distância pode ser alterada com precisão de 1 mm e um alto-falante.

A principal vantagem do telescópio é que ele pode contornar a limitação da distância focal de uma lente, porque duas são usadas, e a capacidade de alterar a distância entre elas permite alterar a distância focal.


Imagem nº 5: instalação de um telescópio acústico e exemplo de aplicação.

Na prática, um telescópio acústico permite ouvir sons vindos de longa distância e isolá-los de muitos outros sons. A Figura 5b mostra que o telescópio acústico permite ouvir uma pessoa no meio da multidão a uma grande distância. Poderíamos observar coisas semelhantes em filmes de espionagem.

Para um conhecimento mais detalhado das nuances do estudo, recomendo fortemente que você analise o relatório de cientistas disponíveis neste link ou neste .

Epílogo

Para resumir o exposto, os pesquisadores foram capazes de criar um dispositivo simples e eficaz que permite manipular o som. Focalize o som em um ponto, equalize o nível de som de duas fontes, isole um determinado som eliminando ruídos, amplifique o som - tudo isso pode ser feito usando uma lente feita de metamateriais, mais como um plugue de ventilação ou uma assadeira de waffles.

Este trabalho demonstra que um entendimento preciso da natureza do fenômeno, físico, químico ou biológico, permite que você obtenha controle sobre ele e altere suas propriedades conforme exigido pela situação. Até agora, apenas adivinhando exatamente como as lentes acústicas serão usadas. Os próprios cientistas não vão parar por aí e continuarão pesquisando para melhorar sua ideia.




Obrigado por ficar conosco. Você gosta dos nossos artigos? Deseja ver materiais mais interessantes? Ajude-nos fazendo um pedido ou recomendando a seus amigos, um desconto de 30% para os usuários da Habr em um análogo exclusivo de servidores básicos que inventamos para você: Toda a verdade sobre o VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 núcleos) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps de US $ 20 ou como dividir o servidor? (as opções estão disponíveis com RAID1 e RAID10, até 24 núcleos e até 40GB DDR4).

VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 núcleos) 10GB DDR4 240GB SSD de 1Gbps até o verão de graça quando pagar por um período de seis meses, você pode fazer o pedido aqui .

Dell R730xd 2 vezes mais barato? Somente temos 2 TVs Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 TV a partir de US $ 199 na Holanda! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - a partir de US $ 99! Leia sobre Como criar um prédio de infraestrutura. classe usando servidores Dell R730xd E5-2650 v4 custando 9.000 euros por um centavo?