惊人的新技术只能将声音“弯曲”到您的耳朵中

如果您可以在没有耳机或耳塞的情况下听音乐或播客，并且不会打扰周围的任何人，那会怎样？或者在其他人没有听到您的情况下在公共场合进行私人交谈？

我们新发表的研究介绍了一种创建可听安全区– 与周围环境隔离的局部声音。换句话说，我们开发了一种技术，可以在需要的地方创造声音。

发送仅在特定位置才能听到的声音的能力可以改变娱乐、通信和空间音频体验。

什么是声音？

声音是一种振动它以波的形式在空气中传播。这些波是在物体来回移动时产生的，压缩和减压空气分子。

这些振动的频率决定了音高。低频对应于深沉的声音，如低音鼓;高频对应于尖锐的声音，如哨声。

由于一种现象，控制声音的去向很困难称为 衍射– 声波在传播过程中向外传播的趋势。这种效果对于低频声音尤其强烈，因为它们的波长较长，因此几乎不可能将声音局限于特定区域。

某些音频技术（如参数阵列扬声器，可以创建聚焦声束瞄准特定方向。但是，这些技术在穿越太空时仍会发出在其整个路径上可以听到的声音。

可听飞区的科学

我们发现了一种将声音发送给特定听众的新方法：通过自弯曲超声波束和一种称为非线性声学的概念。

超声波是指频率高于人类听觉范围或高于 20 kHz 的声波。这些波像普通声波一样在空气中传播，但人们听不见。

由于超声波可以穿透许多材料并以独特的方式与物体相互作用，因此它被广泛用于医学成像和许多工业应用.

在我们的工作中，我们使用超声波作为可听声音的载体。它可以无声地在空间中传输声音 - 只有在需要时才能听到。我们是怎么做到的？

正常情况下，声波线性组合，这意味着它们只是按比例加起来形成一个更大的波浪。然而，当声波足够强时，它们可以非线性相互作用，产生以前不存在的新频率。

这就是我们技术的关键：我们使用两个不同频率的超声波束，它们本身是完全静音的。但是当他们在空间中相交，非线性效果使它们以仅在该特定区域中听到的可听频率生成新的声波。

至关重要的是，我们设计了可以自行弯曲的超声波束。通常，声波沿直线传播，除非有东西阻挡或反射它们。但是，通过使用声学超表面–纵声波的专用材料 – 我们可以塑造超声波束，使其在传播时弯曲。

与光学透镜弯曲光线的方式类似，声学超表面会改变声波路径的形状。通过精确控制超声波的相位，我们创造了弯曲的声程可以绕过障碍物并在特定目标位置相遇。

起作用的关键现象是所谓的差频产生.当两个频率略有不同的超声波束（例如 40 kHz 和 39.5 kHz）重叠时，它们会在它们的频率差处产生新的声波——在本例中为 0.5 kHz 或 500 Hz，这完全在人类听觉范围内。

只有在光束交叉的地方才能听到声音。在该交叉口之外，超声波保持无声。

这意味着您可以将音频传送到特定位置或人员，而不会在声音传播时打扰其他人。

先进的声音控制

创建音频 Enclaves 的功能具有许多潜在的应用。

音频飞区可以在公共场所实现个性化音频。例如，博物馆可以为没有耳机的参观者提供不同的语音导览，图书馆可以允许学生在不打扰他人的情况下通过语音课程进行学习。

在汽车中，乘客可以听音乐，而不会分散驾驶员听到导航指令的注意力。办公室和军事环境也可以从用于机密对话的本地化语音区域中受益。

音频飞地还可以进行调整，以消除指定区域的噪音，创建安静区域，以提高工作场所的注意力或减少城市的噪音污染。

这不会在不久的将来被束之高阁。例如，我们的技术仍然存在挑战。非线性失真会影响音质。功率效率是另一个问题 - 将超声波转换为可听声音需要高强度场，而这些场可能会产生大量能源。

尽管存在这些障碍，但音频飞区还是带来了声音控制的根本性转变。通过重新定义声音与空间的互动方式，我们为沉浸式、高效和个性化的音频体验开辟了新的可能性。

钟佳欣， 声学博士后研究员，宾夕法尼亚州立大学和云静， 声学教授，宾夕法尼亚州立大学

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