声音定制：从超材料“镜片”控制声场

去电影院时，我们首先要注意的是图片。 鲜艳的色彩，清晰的图像，无任何瑕疵对于我们对正在观看的电影的感知至关重要。 但是不要忘记声音。 如果其质量差强人意，那么无论拍摄什么照片，观看体验都会被破坏。 图像质量受到了更多关注：正在开发新的屏幕，用于3D视频的眼镜，相机，镜头等等。 今天，我们将与您讨论一项研究，一组科学家决定纠正这一不公正现象。 他们将所有的注意力，时间和智慧都投入了声音，或者是开发了一种可以与声音（如灯光）一起使用的新设备。 望远镜，放大镜，准直器，甚至变焦镜头，所有这些都以“声学”为前缀。 科学家如何精确地实现对声波的控制，他们的设备是什么样的，制造它有多困难以及在测试过程中显示了什么结果？ 我们从研究小组的报告中了解到这一点。 走吧

学习基础

科学家注意到，声场的形成和管理是与声音再现相关的现代技术的最重要组成部分。 通常，这是通过使用相控阵控制声源发生器的强度或相位来实现的。 这种方法允许您实时控制声音，但是，这类设备通常体积庞大且昂贵。

反过来，如果我们想获得对光的控制，则需要使用不同的方法。 可以通过相关细节（滤镜，镜头等）改善感知。 更改这些元素的参数可使您获得具有自己独特属性的某种类型的设备（带有自动对焦的相机，LCD显示屏，VR耳机等）。 尚无法通过声音进行此类操作。 如果我们想要最好的声音，我们需要大而有力的扬声器，夸张地说。


图片1： （a） -比较以前的发展（左）和本工作中描述的（右）； （b） -将标准柱转换为定向柱； （c） -安装聚焦声透镜。

超材料可以帮助解决这个问题。 这种材料的一个显着特征是，它们的性能实际上不取决于制成它们的物质的特性。 如何精确地制造它们，即它们具有什么结构，体系结构，拓扑，形式等，更为重要。 不幸的是，由于一些困难，超材料在声音处理中的使用还不是很普遍：厚度与波长不符； 设备静态和有限的频率范围。

对于科学家而言，这些局限性是他们大胆接受的挑战。 他们开发了一种新的方法来设计类似于镜片的超材料，但不是光，而是声音。 同时，有可能规避上述限制。 我们将如何进行更详细的分析。

超材料设计

研究人员确定了创建超材料的四个主要步骤：

• 功能的选择（声音应该做什么）；
• 在超材料的表面（以下称为超表面）上将该信息转换为相似的相位/强度分布（ 2a ）；
• 工作单元的选择（ 2a ）；
• 考虑到空间和幅频特性的局限性，创建超颖表面（ 2b ）。

图片2： （a） -比较两个相位曲线； （b） -＃15号电池的COMSOL传输模拟，按比例缩放，使其底数为10.4 mm； （c） -B型电池的工作原理。

必须理解，通过装置的声压分布将取决于超颖表面的未来功能。 因此，超表面的几何形状和强度分布起着重要的作用。

显然，科学家们知道他们到底从创作中得到了什么-像镜头一样工作，但声音却如此。 在这种情况下，晶状体将由两个参数表征：焦距和物理尺寸（在超表面的情况下，晶状体占据多少个细胞）。

一旦沿透镜轴（ˆz）设置了所需的焦距（ f ），就可以通过断言所有像元的贡献都进入这一事实来获得超表面（假定在z = 0平面内）的相位分布φ（x，y）。进入（0，0， f ）相。 对于这项特定的工作，科学家使用了抛物线轮廓：

φ（ r ）=φ0-A ² （x ² + y ² ）

其中，φ（x，y）是与单元有关的局部相位，A是与相位分布的局部曲率相关的常数，λ0是计算出的波长，φ0是任意常数。

光学中的抛物线相位轮廓使人们可以获得更紧凑的透镜，因此，设计的超颖表面也将很小。 另外，这样的轮廓将参数A与透镜的“曲率”联系起来，即，A越大，获得的聚焦透镜越多（ 2a ）。

建立φ（x，y）之后，有必要选择将涉及超表面上的哪些单元。 还必须考虑以下事实：频率越低，单元应该越大。

在这项研究中，我们使用了一个16单元的元表面模型：矩形长方体〜4.3 x 4.3 x 8.6毫米，旨在在f ₀ ± Δf _2dB = 40±1 kHz时实现最大传输（〜输入声音的97％）。 在不同的频率（ f ）下应用这种模型的最简单方法是缩放：调整每个长方体的大小，直到其厚度等于新的波长λ= c ₀ / f（其中c 0〜343 m / s是空气中的声速） 。

在新频率下，每个小区都在0 ...2π范围内施加相同的相位延迟，而所有小区的吞吐量与f ₀相同。

科学家注意到，在f ₀下设计的长方体在不同的频率下具有相同的透射率（ 2b ）。 这些频率定义如下：

f _j = f ₀ -j⋅c ₀ / L _eff

其中j = 0、1、2 ... N是整数，L _eff是特定单元格的计算参数，N =整数（L _eff /λ0）是L _eff包含波长时的（整数）次。

由此可以得出结论，可以处理频率为f _j （ 2s ）之一的信元，从而支持与f ₀相当的传输。

在测试过程中，使用了频率f ₀ = 5,600 Hz。 该频率对应的波长为6厘米，仅出于技术限制（3D打印机无法打印较大的单元格）进行选择。 但是，据科学家称，鉴于他们模型的可扩展性，测试期间的这一限制不会影响结论。

使用了两种类型的镜片：

• 通过对单元进行缩放来获得A型 ，使其第一共振（j = 0）为5.6 kHz，厚度等于λ0（即60 mm）。 每个此类镜头均由8x8单元的阵列组成，总尺寸为240x240x60毫米（ 1a ，左）。 透镜带宽为_{2⋅Δf2dB〜0。05⋅f 0} 。
• B型是通过缩放单元格获得的，因此它们的第二次共振为5.600 Hz。 每个这种类型的透镜均由10x10的单元阵列组成，总尺寸为104x104毫米，厚度为20.8毫米（ 1a ，右）。 B型的吞吐量也很大。 计算表明它是_{2⋅Δf2dB〜0.28⋅f 0} 。 B型镜头的主要缺点如下：由于16单元模型仅覆盖部分相空间，因此使用固定尺寸的镜头只能实现有限数量的焦距。

在上图中，我们可以看到仿真结果，该结果表明，在使用10x10镜头的情况下，最大焦距为57毫米。 即，为了增加焦距，必须增加透镜。

超表面的设计要点对我们已经很清楚了。 现在，我们将继续以原型的形式描述所有这些内容。

声准直器

鉴于以上成就，研究人员能够创建一种声准直仪-一种校正源的几何发散的系统，其结果是声音在输出端以波束的形式在空间上表示出来。 简而言之，声音不会扩散到他想要的任何地方，而是会形成聚焦光束。



上图显示了在没有超材料（蓝色场）和有超材料（红色场）的情况下声音如何传播。

在光学系统中，准直仪既用于信标中以远距离投射光，又用于聚光灯中。 在这样的设备中，透镜距光源的距离等于设备的焦距，因此，入射波变成平行光束。

对于声准直仪，将A型超材料透镜放置在距声源150±2 mm的距离处。


图3：准直器的性能和安装图。

上图中的曲线3a显示，与没有声源的镜头相比，在距声源不同距离处测得的声压要大得多。 在距离4.24 m处测得的角辐射表明，由于透镜而导致的扬声器（声源）的发散角从60°±1°减小到27°±1°（3b）。

科学家们还注意到，超材料透镜已经改变了用于实验的廉价动力的音质。 同时，在露天进行的测试表明，声音的感知距离显着增加：没有声准直仪-10 m，有准直仪-40 m。

科学家建议，通过更准确地调整扬声器和声透镜（准直器）之间的距离，可以使发散角更小。

生活中如何使用声准直仪？ 该设备的开发人员有几种选择：

• 声音的个性化-将声音专门投射到电影院的某些区域（ 3s ）； 根据空间位置（VR耳机）而不同的声音信号； 创建不同的声音区域（例如，三个人坐在沙发上，每个人都在听自己的声音，而不会打扰其他人）。
• 提高扬声器的性能-在音乐会和电影院中，他们总是尽力优化声音，以使每个人都能听到所有声音，但是在听众中，有一部分声音是“劣等”的。 3d图像显示2个扬声器对称指向不同方向。 粗略地说，在此位置声音会变差。 使用安装在此间隙中的声准直仪可以解决此问题。
• 提高声学传感器的空间灵敏度。

声放大镜

图4：安装声学放大镜的示意图和照片。

我们都熟悉侦探器图像的固有属性-放大镜或放大镜。 我们通过放大镜看某物，并以放大形式看到该物体。 如果使用声学放大器，声音也会发生同样的事情。 在测试设置（ 4a ）中，科学家在麦克风和扬声器之间放置了超材料（放大镜）。 调整放大镜的位置，直到达到麦克风接收到的最大信号为止。 因此，弱的声音被放大。

声放大器的范围也不限于一种选择：

• 更改信号源的位置-图4b中显示了一个示例：一个人坐在电视前的沙发上，电视带有内置扬声器。 如果使用声学放大器，您会感觉到扬声器就在扬声器的正前方。
• 增强了触觉设备的功能（空中的触感，下面的视频）。 此类技术与声音直接相关，但在“虚拟”物体与其生成器之间的最大距离上受到限制。 声学放大镜可以增加此距离。

触觉技术通过声音营造出触摸感。

• 改善声音接收-声学透镜可以改变麦克风的空间特性。 图4d显示了使用声放大器聚焦在被许多其他物体包围的特定物体上的情况。 简而言之，这样的放大器将使您仅听所需的声音，从而消除了所有相关的噪音和背景噪音。
• 来自不同来源的声音调平。 想象一下，您正在一个大房间里与两个人聊天。 一位对话者站在附近，第二位对话者很远。 声学放大镜可以让您以相同的方式听到两个对话者，就像他们都站在距离您相同的距离上一样（图4e中的视觉示例）。

声学望远镜

需要望远镜来研究很远的地方。 一种平庸而夸张的说法，但并不会因此失去其真实性。 望远镜的工作是由于两个镜头彼此之间保持一定距离。 声学望远镜也使用类似的原理。



上图是安装声学望远镜的照片：两个由超材料制成的透镜和一个扬声器，它们之间的距离可以1mm的精度改变。

望远镜的主要优点是它可以避免使用一个透镜的焦距限制，因为使用了两个，并且改变它们之间的距离的能力使您可以更改焦距。


图5：声学望远镜的安装和应用示例。

实际上，声学望远镜可以让您听到远距离传来的声音，并将其与许多其他声音隔离开来。 图5b显示了声学望远镜，您可以在很远的距离听到人群中的声音。 我们可以在间谍电影中观察到类似的情况。

要更详尽地了解这项研究的细微差别，我强烈建议您查看可通过此链接或此处获得的科学家报告。

结语

综上所述，研究人员能够创建一种简单有效的设备，使您能够操纵声音。 将声音集中在一个点上，从两个声源处均衡声音水平，通过消除噪音隔离特定声音，放大声音-所有这些都可以使用超材料制成的透镜来完成，更像是通风塞或华夫饼烤盘。

这项工作表明，对现象的本质（物理，化学或生物现象）有准确的了解，可以使您对其进行控制并根据情况所需更改其属性。 到目前为止，仅猜测确切地将如何使用声学透镜。 科学家们自己不会止步于此，并将继续进行研究以改善他们的创造力。




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