超聲波束用于創(chuàng)建個性化和安全的“可聽飛地”

通過 3D 打印超表面發(fā)射的超聲波束可以產(chǎn)生路人聽不見的局部聲音。該技術(shù)可用于創(chuàng)建私人語音區(qū)域以實現(xiàn)安全通信，或在公共空間和車輛中啟用個性化音頻空間。

無需耳機即可將聲音傳遞給特定聽眾的能力（稱為定向聲音）一直是音頻工程領(lǐng)域的一個長期研究領(lǐng)域。但要做到這一點通常需要大型和復(fù)雜的聲源，并且通?？梢匝刂ㄊ穆窂铰牭揭纛l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，通過將緊湊的超聲波發(fā)射器陣列與特殊圖案化的2D結(jié)構(gòu)相結(jié)合，解決了這些限制，該結(jié)構(gòu)旨在縱波的特性。這種結(jié)構(gòu)被稱為超表面，可產(chǎn)生人類聽不見的“自彎曲”超聲束，并且可以繞過障礙物。當(dāng)其中兩個波束相交時，它們會以一種方式相互作用，在人類的可聽范圍內(nèi)產(chǎn)生聲音，但僅限于幾厘米寬的地方，研究人員稱之為“可聽飛區(qū)”。

“關(guān)鍵的創(chuàng)新是聲音僅在兩個波束相交的地方產(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。

以前的研究表明，可聽見的自彎曲光束可以繞過障礙物彎曲。但是，可聽聲音的長波長意味著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)依賴于人類無法聽到的超聲波束，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 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@些超表面就像一個聲學(xué)透鏡，控制波前，使光束在傳播時彎曲，”Zhong 說。

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(dāng)兩個聲波相互作用時，它們可以產(chǎn)生一個次級波，其頻率等于原始波之間的頻率差。通過使用一對 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)造了一個幾厘米寬的聲音袋，這在可聽范圍內(nèi)。

研究人員表明，通過改變其中一個波束的頻率，他們可以使用相同的超表面在可聽范圍內(nèi)（從 125 Hz 到 4 kHz）的六個八度音程中生成音頻。雖然這些實驗涉及創(chuàng)建簡單的單頻音調(diào)，但研究人員還證明了這種方法適用于亨德爾的彌賽亞中的“哈利路亞合唱”的 9 秒爆發(fā)，該合唱在一系列頻率上波動。

相交超聲束

Zhong 說，當(dāng)前方法的主要問題是，當(dāng)兩個波束相互作用時，它會產(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)來解決，包括使用可以學(xué)習(xí)補償失真的深度學(xué)習(xí)算法。

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

“我們設(shè)想使用自適應(yīng)處理算法來實時動態(tài)調(diào)整光束軌跡，使光束能夠根據(jù)環(huán)境反饋智能地繞過障礙物，”他說?！斑@將使該技術(shù)在障礙物可能移動或改變位置的實際應(yīng)用中更加通用?！?/p>

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