Крутить звук во все стороны: британская акустическая линза — незаметный старт революции

    В начале этого года на выставке CES-2018 учеными из университетов в Сассексе и Бристоле было представлено революционное изобретение, которое, к моему удивлению, осталось почти незамеченным. Проект по созданию принципиально нового звукового преобразователя называется Metasonics и является настоящим технологическим прорывом в управлении звуковыми волнами.



    Судя по данным экспериментальных исследований британцев, их технология станет настоящей революцией как для специализированной акустической аппаратуры, так и для бытовых звуковоспроизводящих систем. Речь идет о новом типе т.н. акустической линзы, созданной на основе метаматериалов, которая способна фокусировать звук подобно объективу в оптике и гибко изменять интенсивность в звуковом поле.

    Необычные, с точки зрения классических представлений, возможности метаматериалов позволили изобретателям создать 16 различных типов т.н. метакирпичей, на основании которых был разработан уникальный преобразователь звуковых волн.

    Устройство позволяет свободно манипулировать акустическим полем. Фактически, это означает создание локальных зон звуковоспроизведения в едином пространстве (например, в авто или выставочном зале) с узконаправленным звуковым излучением.

    Метаматериалы и применение в экспериментальной акустике


    Если говорить о метаматериалах в целом, то в Вики их определяют как:

    “Метаматериал — композиционный материал, свойства которого обусловлены не столько свойствами составляющих его элементов, сколько искусственно созданной периодической структурой”

    Иными словами, основные интересующие нас свойства сформированы благодаря особому структурированию сред, и в естественной среде такие свойства встречаться не могут. В свою очередь акустические метаматериалы изменяют свойства звука благодаря особой структуре.

    Если очень грубо и не совсем точно, то метаматериалы получаются благодаря внедрению в структуру исходного природного материала огромных атомов. В процессе разработки у создателя метаматериала есть возможность изменения параметров внедряемых структур. Так может меняться форма, размер или период.

    Одним из наиболее демонстративных примеров свойств таких материалов является метаматериал с «левосторонним» коэффициентом преломления. На приведенном ниже видео схематично представлено, как через такой материал проходит свет и что с ним происходит.



    Аналогичных и более сложных эффектов при помощи метаматериалов можно добиться не только со светом, но и со звуковыми волнами. Таким образом появилась идея применять метаматериалы в качестве специальных акустических отражателей, линз и своеобразных “объективов”.



    Эксперименты показали, что использование акустических метаматериалов дают возможность управлять акустическим излучением эффективнее, чем с применением прочих известных способов.

    Metasonics — успешный старт будущей революции


    Несмотря на то, что акустические метаматериалы изучаются сравнительно давно (с начала нулевых), ощутимых успехов удалось добиться только в прошлом году. Рабочий прототип акустической линзы из метаматериалов, способный создавать и изменять узконаправленное акустическое поле в реальном времени, появился благодаря ученым из университетов Сассекса и Бристоля.

    Следует отметить, что подобные устройства, обеспечивающие фокусировку акустических волн, существовали и раньше, но не использовали метаматериалы и в связи с этим были статичными и громоздкими. Некоторое время назад я сталкивался с информацией о разработке т.н. “звуковых пятен”, однако ввиду сложности изготовления и низкой технологичности она не получила распространения.

    Группа британских исследователей во главе с профессором информатики из Университета Сассекса Sriram Subramanian разработала мобильный вариант пространственного звукового модулятора, который был назван Metasonics.

    В основе конструкции преобразователя лежит использование не одного типа метаматериала, а 16 различных структур, которые выполнены в форме кирпичей. Их так и назвали acoustic metamaterial brick.



    В начале приведенного ниже видео продемонстрирован принцип работы преобразователя и акустические поля, которые он создает, а также типы “кирпичей”, которые использованы для создания модулятора.



    Акустическая левитация хорошо демонстрирует интенсивность звуковых волн на локализованном участке пространства которую позволяет сздать новый преобразователь. При этом он значительно более компактен по сравнению с существовавшими ранее стационарными аналогами.

    Разработчики Metasonics в ноябре прошлого года уже получили стартовые инвестиции в размере 10 000 фунтов на конкурсе в Бристольском университете. Очень вероятно, что в ближайшее время компания получит более внушительные инвестиции. Их часто сравнивают с ещё одним британским университетским стартапом, Ultrahaptics, который начинал в 2013-м году с $20 000 и к маю 2017-го привлек 23 млн.

    Варианты применения


    По замыслу изобретателей, линза может применяться практически везде, где есть необходимость в разделении и направлении потоков звука. Так наиболее перспективным разработчики считают использование Metasonics в авто, где водитель будет получать информацию от навигатора, пассажир переднего сиденья слушать радио, а на задних сиденьях будет комфортно реализован просмотр фильма без стенок и звукоизоляции.




    Аналогично с использованием преобразователя можно озвучить локальную зону в музее или на выставке (без носимых неудобных аудиогидов). Также перспективными представляются возможности модулятора для рекламы, когда нескольким людям, находящимся на небольшом расстоянии друг от друга, можно транслировать различные аудиопотоки или осуществлять трансляцию рекламного сообщения со слежением сфокусированного звукового луча за объектом.



    Ещё одна возможность, которую предлагают разработчики проекта, — применение акустических линз в фитнес браслетах, которые будут помогать в коммуникации с владельцем гаджета и обеспечивать обратную связь при беге и активных упражнениях.




    Не менее перспективным представляется использование продукта для аудиозонирования жилых помещений. Фактически, этот проект может убить рынок домашних наушников или по крайней мере потеснить их незыблемые позиции, как индивидуального средства звуковоспроизведения.

    Сами создатели “кирпичного” мета-чуда искренне убеждены, что технология Metasonics в один прекрасный день станет такой же распространенной как ЖК-экран.

    Текущий этап


    В данный момент команда из 2-х университетов занята тем, что решает вопрос динамической перестройки слоев материала. Как только ученые реализуют эту задачу, появится ещё несколько областей применения. В числе прочих — компактные диагностические ультразвуковые сканеры, а также возможности акустического обнаружения повреждений и акустические терапевтические приборы.



    Фактически, ученые разработчики вплотную подошли к созданию принципиально новых акустических устройств, позволяющих реализовать с минимальными затратами управление такими явлениями, как рассеивание, дифракция и преломление звука. По замыслу экспериментаторов, это будут полностью цифровые звуковые модуляторы, контролируемые в реальном времени.

    Итог


    Узнав о модуляторе, я был удивлен насколько устройство и материал, на основе которого оно будет сделано, способны изменить существующие сегодня представления об акустических приборах, звуковом излучении. Для меня очевидно, что описанная технология уже через пару лет начнет приобретать популярность. Я буду признателен за ваше мнение о возможностях применения этой инновации в комментариях. Надеюсь на живую и корректную дискуссию.

    Pult.ru

    106,79

    Крупнейшая сеть Hi-Fi, High End в России

    Поделиться публикацией
    Комментарии 27
      +2

      Материал, конечно, крутой, но ничего особо нового тут нет, Ультразвуковые фазированные решетки далеко не новость, а длина волны звука не возволит ему в слышимом диапазоне распространяться таким тонким лучем (особенно учитывая, что длина волны зависит от частоты, и для нижнего диапазона слышимости составляет аж 7 метров).

        +2
        Насколько я понял по их статье www.nature.com/articles/ncomms14608, им удалось им удалось получить приемлемые результаты именно в слышимом спектре.
        Судя по всему ценность инновации именно в этом.
          0
          В том виде, как это изложено в статье — это противоречит законам физики. Источник с линейным размером много меньше длинны волны не может быть направленным из за дифракции. Создание локального максимума в большом зале при использовании нескольких правильно сфазированных излучателей вполне реально, а вот то, что показано на картинках применительно к автомобильному и, особенно, наручному устройству, выглядит сомнительным.
            0
            Таки да, кроме того, если верить рисуночкам и проводить параллели с оптикой, эта акустическая линза страдает жутким хроматизмом и оно принципиально не лечится…
            Да, для конкретной расчётной частоты, эти элементы будут поворачивать фазу, но для каждой частоты эта фаза будет своя, с ростом частоты фаза будет всё чаще гулять, а на частотах ниже расчётной фазовый сдвиг будет стремиться к нулю…
            … но есть ещё одна фигня о которой английские учёные хитро так молчат, акустический ИМПЕДАНС! Вот и получается что преимуществ перед традиционными направленными УЗ излучателями тут нет…
              0
              Есть у меня подозрение (если принимать ваши аргументы как истину в некой инстанции), что будут они шайтан-модуляторы с теми самыми направленными излучателями применять в одном комбинированном устройстве.
                0
                Таки они об этом-же и пишут, не пишут лишь о том, что это на хрен никому не надо, ну разве что как учебное пособие для кабинета физики, что бы можно было глазами посмотреть руками пощупать и мозгами въехать…
                … беда авторов в том, что ультразвуковые лучи прекрасно формируются конструктивно в самих излучателях, без потерь мощности, и ещё один нюанс, они очень аккуратно пишут об амплитудной модуляции не с проста, наверняка они это дело уже попробовали и убедились, что слышимый звук в их линзе формируется громче чем в зоне куда должен бы фокусироваться :-)

                Упругие волны механических колебаний, прямо всегда мечтали бродить по узким лабиринтам не испытывая никакого сопротивления и не отражаясь…
            +3

            Просто заголовок звучит как "… революция в звуке...", а на практике ничего революционного нет. Аккустические линзы есть (она, к слову, аккустической называется, а не звуковой), УФР есть, используются как в медицине и промышленности, так и в быту. Ту же УФР можно купить на ебее за копейки (для промышленности копейки, хотя я где-то находил платы в пределе 50 евро, впрочем там и делать то нечего).


            Впрочем, почитал оригинал статьи. Они действительно проводили опыты на 40кГц, у которых длина волны меньше миллиметра, поэтому графики такие неплохие. Сами они адекватно понимают что сделали и предлагают лишь гораздо более дешевую альтернативу УФР (что, в целом, правда). Однако, что касается слышимого спектра, все несколько хитрее: они предлагают моделировать ультразвук по амплитуде обычной частотой, таким образом добиваясь узкого канала. Но пишут:


            Although not demonstrated herein, full-wave simulations confirm this behaviour. The frequency response, and the potential use of amplitude modulation, would require further studies that go beyond the scope of the present work.

            Т.е. "ну наверное сработает", хотя идея тоже не нова. Однако, ИМХО, это стоит дописать в статью, довольно полезное замечание.


            P.S. Не вижу в статье этих "представлений художника". Кто их нарисовать то уже успел?

              0

              P.P.S. Модулировать, а не моделировать, и не замену УФР, а дополнение, которое позволит обойтись гораздо меньшим количеством источников звука, что удешевит конструкцию.

                0
                Спасибо, в Вашем изложении картина становится гораздо более реалистичной.
                  +1
                  В приведённой вами фразе речь об амплитудной модуляции, которую действительно не затрагивает статья, что отнюдь не означает невозможность работы «линзы» со слышимым спектром. Как я понял из отчетов с CES они добились экпериментально подтверждённого результата, статья приведенная мной в комментах действительно относилась в большей степени к ультразвуку. Относительно революционности, то модуляторов с такими габаритными размерами до прошлого года не существовало, принцип с кирпичами также принципиально новый. фактически можно говорить о том, дополнительные исследования были проведены, так как на сайте проекта они однозначно заявляют о том, что в данный момент с акустическими свойствами (в числе прочего и в слышимом спектре частот) работы завершены (к слову картинки — с сайта проекта), в данный момент работа идёт по динамическому изменению в реальном времени, как я и написал в своей статье.Не исключаю, конечно, что это развод инвесторов, но… британские ученые ведь не станут так замысловато лгать… ведь нет?
                    0
                    Существуют чисто акустические ФАРы, простейшим из которых является микрофон бегущей волны, но есть и в буквальном смысле ФАРы с задержкой на трубочках, в некоторых странах считаются спецтехникой и запрещены к обороту, у нас одно время продавались… Да и микрофоны бегущей волны больше какой-то длинны ЕМНИП производить нельзя.

                    А вот такой, дурацкой конструкции действительно не было, это-же из разряда регулировки громкости акустическим демпфированием.
                      0
                      Принцип действительно странный, но если эффект действительно такой, как его описывают разработчики, то какими средствами его получили пользователей волновать не будет.
                        +1
                        то какими средствами его получили пользователей волновать не будет.
                        Попробуйте донести это до любителей ламп, винила и сетевых кабелей за штуку баксов.
                          0
                          Пробовал, не вышло. Полагаю — этим людям нужен не эффект, а нечто иное… Например осознание важности ритуала прослушивания на устройствах с винтажной схемотехникой/принципами работы. Поэтому, полагаю, пустое). Это как объяснять что-то хипстеру, который при покупке велосипеда отдаёт предпочтение односкоростному фикседу по цене вменяемого MTB, только потому, что тот «втренде».
                          0
                          Да ничем он не странный, нормальный принцип, с богатой историей…
                          Ничего нового эти ребята не придумали, их пользователь, ихний же университет, правда кто кого пользует это вопрос.
                            0
                            Ну университеты денежку им выделяют, а не наоборот, соответственно они пользуют университет.
                      0
                      Ещё момент, Мемоли на видео роняет фразу «Any acoustic field», что предполагает «любое акустическое поле»
                        +1

                        При всем уважении к авторам и британцам — я не поверю в возможность слать слышимый диапазон в очень узком (скажем, десяток сантиметров) луче. Для речи (1000 гц) длина волны 30 см, это еще куда ни шло, но уже музыка хочет гораздо меньшую частоту (и большую длину волны). Физика, такая физика. А вот в модуляцию поверю, но испытываю некие сомнения.


                        P.S. Нашел подобных работ, разве что без метаматериала, несколько, например, 2006 год, вообще серийные решения. И у всех решений либо модуляция, либо без низов.

                          +1
                          Обязательно гляну, спасибо за ссылку. Понятно, что с НЧ спектром будут наиболее существенные сложности, я не буду столь категоричен), время покажет, что из этого получится, уж больно заявления разработчиков смелые.Хотя допускаю, что они преувеличивают успех ради финансирования (но вроде ж не нахрапистый кикстартер, а уважающие себя университетские конторы).
                            +1
                            По плантроникс — посмотрел. Ну да, там диаграмма направленности своеобразная и несколько увеличена интенсивность волн, но назвать это поле узким… Они конечно делали гарнитуры для NASA и всё такое, но в целом это серийное решение больше маркетинг.
                    0
                    Аналог сазера т.е.?
                      0
                      Решетка звукоизлучателей и проще, и там не остается нерешенной проблемы управления (зачем перестраивать линзу, когда есть полный контроль над полем уже в источнике). В общем, очень сомнительное изобретение и явно революцию оно не делает. По аналогии с оптикой, LCD и линзы дешевле чем формирование поля матрицей источников (OLED), но со звуком это может оказаться наоборот из-за разных длин волн.
                      А мечтания о зонирвании звука выглядят не революционно. направлять получится только высокочастотные звуки, которые не так подвержены дифракции. НЧ нужно или вырезать или их будет слышно т.е. опять компромисс и полумера а не революция.
                        +1
                        Спасибо, это обсудили выше)
                        Понятно, что с НЧ спектром будут наиболее существенные сложности,

                        Кроме уточнения про решетку излучателей, по которой, как я понял, нет экспериментальных данных. К слову СЧ, ВЧ звукового зонирования в причтойном виде пока нет (ну или я чего-то совсем секретного не знаю).
                          +1
                          Такая штука должна быть хороша для стационарного применения: готовые детальки (или даже готовая панель) должны стоить дёшево. 64 пластмассовых фигульки против 64 пусть даже самых копеечных излучателей — экономия более чем заметная. Да и домой поиграться — на 64 излучателя, возможно, жаба задушит, да и паять долго, а напечатать панельку 8*8 целиком (или несколькими кусками) на 3d-принтере — не проблема.
                          Хм… Я тут подумал: лучше не на 3d-принтере, а из слоёв собрать (лазерной резкой). Можно даже прозрачную панель для понтов замутить.

                          Хотя применимость (как и у решётки излучателей), конечно, ограничена требуемым для заданного частотного диапазона размером… Для дома я пока вижу только одно применение: адский будильник (можно пищать достаточно высоко — длина волны мала, можно не очень большую решётку сделать). Чтобы со шкафа (или с потолка) пищал в ухо.
                          0

                          К слову, вопрос знатокам.


                          1. Так слету не вспомнил и даже не нашел, но интуитивно — ширина луча не может быть меньше двух длин волны из-за волновой, собственно, природы. Но если взять идеальный излучатель в вакууме воздухе с нормальным атмосферным давлением и 15 градусами — есть ли ограничение на ширину луча и какое?


                          2. Если не брать во внимание то, что ультразвук нужно слушать чуть ли не в упор (либо ставить 500Вт излучатели) и что при вращении головой будет сильно меняться интенсивность звука из-за низкой проникающей способности УЗ, возможно ли вообще модулировать ультразвук по амплитуде слышимой частотой? Точнее, можно ли его потом услышать. Потому что сдается мне, что инертность барабанных перепонок просто не позволит им реагировать на звук такой частоты, нужно будет модулировать только половинку фазы, а из-за многолучевости это просто превратится в кашу, пока пройдет через ушной канал. Опять же, в гугле нашел только успешные опыты по кавитации с ультразвуком, что наводит на мысли возможности использования ультразвуковых колонок в торговых центрах как оружие массового поражения. Если так подумать, то эту штуку вообще не стоит разрешать устанавливать в местах массового скопления людей.
                            0
                            2а Модулированный ультразвук уже на пыли в воздухе начнёт нелинейно преобразовываться в слышимый. Получится параметрическая антенна своего рода.
                            2б Чтоб в тушку через воздух вкачать мало-мальски достаточный для кавитации и тепловых эффектов ультразвук… не, лазером из китайской указки зарезать проще
                            0
                            уже было у sennheiser лет 10 назад

                            Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

                            Самое читаемое