超聲波束用于創(chuàng )建個(gè)性化和安全的“可聽(tīng)飛地”

通過(guò) 3D 打印超表面發(fā)射的超聲波束可以產(chǎn)生路人聽(tīng)不見(jiàn)的局部聲音。該技術(shù)可用于創(chuàng )建私人語(yǔ)音區域以實(shí)現安全通信，或在公共空間和車(chē)輛中啟用個(gè)性化音頻空間。

無(wú)需耳機即可將聲音傳遞給特定聽(tīng)眾的能力（稱(chēng)為定向聲音）一直是音頻工程領(lǐng)域的一個(gè)長(cháng)期研究領(lǐng)域。但要做到這一點(diǎn)通常需要大型和復雜的聲源，并且通?？梢匝刂?zhù)波束的路徑聽(tīng)到音頻信號。

賓夕法尼亞州立大學(xué)（Pennsylvania State University）的研究人員提出了一種新的方法，通過(guò)將緊湊的超聲波發(fā)射器陣列與特殊圖案化的2D結構相結合，解決了這些限制，該結構旨在縱波的特性。這種結構被稱(chēng)為超表面，可產(chǎn)生人類(lèi)聽(tīng)不見(jiàn)的“自彎曲”超聲束，并且可以繞過(guò)障礙物。當其中兩個(gè)波束相交時(shí)，它們會(huì )以一種方式相互作用，在人類(lèi)的可聽(tīng)范圍內產(chǎn)生聲音，但僅限于幾厘米寬的地方，研究人員稱(chēng)之為“可聽(tīng)飛區”。

“關(guān)鍵的創(chuàng )新是聲音僅在兩個(gè)波束相交的地方產(chǎn)生，這使得可以將音頻傳送到精確的位置，同時(shí)保持波束本身的靜音，”賓夕法尼亞州立大學(xué)的博士后研究員、《美國國家科學(xué)院院刊》上一篇描述新方法的論文的主要作者 Jia-Xin Zhong 說(shuō)。

以前的研究表明，可聽(tīng)見(jiàn)的自彎曲光束可以繞過(guò)障礙物彎曲。但是，可聽(tīng)聲音的長(cháng)波長(cháng)意味著(zhù)聲源通常必須達到米級，并且有可能在波束路徑上的任何地方聽(tīng)到信號。

賓夕法尼亞州立大學(xué)團隊想出了一種新技術(shù)，該技術(shù)依賴(lài)于人類(lèi)無(wú)法聽(tīng)到的超聲波束，并且可以使用更小的硬件產(chǎn)生。為了使光束自彎曲，他們 3D 打印了一個(gè) 16 x 8 厘米的網(wǎng)格形超表面，該超表面放置在超聲波發(fā)射器陣列的前面。其效果是精確控制輸出光束的相位?！斑@些超表面就像一個(gè)聲學(xué)透鏡，控制波前，使光束在傳播時(shí)彎曲，”Zhong 說(shuō)。

他們證明，其中兩根光束可以圍繞假人的頭部彎曲，并在其臉前相交。當兩個(gè)聲波相互作用時(shí)，它們可以產(chǎn)生一個(gè)次級波，其頻率等于原始波之間的頻率差。通過(guò)使用一對 40 和 39.5 kHz 的光束，研究人員以 500 Hz 的頻率在假人頭部前方創(chuàng )造了一個(gè)幾厘米寬的聲音袋，這在可聽(tīng)范圍內。

研究人員表明，通過(guò)改變其中一個(gè)波束的頻率，他們可以使用相同的超表面在可聽(tīng)范圍內（從 125 Hz 到 4 kHz）的六個(gè)八度音程中生成音頻。雖然這些實(shí)驗涉及創(chuàng )建簡(jiǎn)單的單頻音調，但研究人員還證明了這種方法適用于亨德?tīng)柕膹涃悂喼械摹肮穪喓铣钡?9 秒爆發(fā)，該合唱在一系列頻率上波動(dòng)。

相交超聲束

Zhong 說(shuō)，當前方法的主要問(wèn)題是，當兩個(gè)波束相互作用時(shí)，它會(huì )產(chǎn)生失真，使音頻信號變得模糊。然而，研究人員認為這可以使用新的信號處理技術(shù)來(lái)解決，包括使用可以學(xué)習補償失真的深度學(xué)習算法。

目前，自彎曲光束的軌跡是固定的，這意味著(zhù)聲源的位置必須精確，以避免障礙物。Zhong 說(shuō)，該小組希望最終創(chuàng )造出可以動(dòng)態(tài)調整以避開(kāi)不同物體的可重構光束。

“我們設想使用自適應處理算法來(lái)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調整光束軌跡，使光束能夠根據環(huán)境反饋智能地繞過(guò)障礙物，”他說(shuō)?！斑@將使該技術(shù)在障礙物可能移動(dòng)或改變位置的實(shí)際應用中更加通用?！?/p>

鐘說(shuō)，這項技術(shù)的潛在應用非常廣泛。這些可能包括在公共場(chǎng)所創(chuàng )建個(gè)性化音頻，例如在不需要耳機的博物館中進(jìn)行語(yǔ)音導覽。他補充說(shuō)，它可以讓車(chē)內的不同乘客在不干擾彼此體驗的情況下收聽(tīng)單獨的音頻，或者為機密信息創(chuàng )建私人語(yǔ)音區。投影抵消現有聲場(chǎng)的音頻也可以允許局部降噪。