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.
Автор: Sound Cult
