Специалисты из Пхоханского университета науки и технологий (POSTECH) представили инновационный акустический излучатель, предназначенный для точной передачи звука конкретному слушателю при одновременном уменьшении его распространения в окружающую среду. Данная разработка открывает возможности для создания персонализированного звукового сопровождения в местах скопления людей, таких как общественный транспорт, авиалайнеры и музеи, где использование наушников может быть неудобным или нежелательным.

Представленное устройство получило наименование MiPAL. В отличие от обычных направленных акустических систем, для формирования узконаправленного звукового потока которым требуется сложная конструкция из множества излучающих элементов, MiPAL использует единственный преобразователь в сочетании с акустическими и упругими метаматериалами.

Основная сложность традиционных звуковых систем заключается в том, что звуковые волны имеют тенденцию распространяться во всех направлениях. Даже при успешной фокусировке основного потока энергии, часть звука всё равно рассеивается в стороны. Именно поэтому современные параметрические громкоговорители часто используют большое количество ультразвуковых излучателей, что приводит к увеличению стоимости и усложнению конструкции.

В MiPAL исследователи использовали альтернативный метод. Система функционирует как параметрический акустический массив: ультразвуковая волна модулируется сигналом слышимого диапазона, а нелинейные свойства распространения ультразвука в воздухе позволяют сформировать узкий, направленный звуковой пучок. Благодаря этому звук можно точно направить практически по прямой к определенной области пространства.

Тем не менее, концентрации усилия на формировании луча недостаточно; требуется также минимизировать вибрации самого устройства, которые могут вызывать нежелательные шумы. В связи с этим, создатели использовали в одном преобразователе два различных типа метаматериалов.

Фронтальная часть устройства выполнена в виде акустической метаповерхности, функционирующей как своего рода линза. Она модифицирует форму ультразвуковой волны и способствует формированию узконаправленного луча. На задней панели размещены эластичные метаэлементы, предназначенные для подавления нежелательных механических колебаний и, следовательно, снижения звуковых утечек в окружающее пространство.

Рабочий диапазон MiPAL охватывает частоты от 500 Гц до 10 кГц – это эквивалентно более чем четырём октавам слышимого человеком спектра. Специалисты провели испытания устройства с использованием реальных речевых, музыкальных и радиовещательных сигналов, включая моделирование расположения пассажиров в салоне воздушного судна.

Проведенные исследования продемонстрировали, что внедрение упругих метаэлементов существенно повышает направленность системы. В итоге, один пассажир может получать аудиосигнал с высокой четкостью, в то время как находящийся рядом человек воспринимает значительно меньше посторонних звуков.

Ключевым преимуществом разработки является возможность оперативной модификации конструкции. Поскольку метаматериальные компоненты могут быть произведены с использованием технологии трехмерной печати, геометрию системы можно подстраивать в зависимости от конкретных требований — будь то расстояние между сиденьями, желаемый угол излучения звукового луча или характеристики помещения.

По заявлению профессора Джунсока Ро, сочетание метаматериалов и ультразвукового устройства в рамках одной системы позволило преодолеть трудности, связанные с затратами, сложностью конструкции и гибкостью проектирования. Специалист подчеркнул, что ранее акустические и упругие метаматериалы преимущественно оставались на уровне демонстрации концепций, однако представленная работа демонстрирует возможность их интеграции в полноценное устройство.

В случае выхода технологии за рамки лабораторных исследований, она может найти широкое применение. В авиалайнерах и железнодорожном транспорте направленный звук позволит пассажирам наслаждаться индивидуальными развлекательными программами или получать объявления без использования наушников. В музейной сфере подобная система сможет воспроизводить комментарии исключительно для посетителя, находящегося перед конкретной экспозицией.

Создатели предполагают, что в перспективе подобные решения позволят формировать персонализированные звуковые зоны в общественных местах, ограничивая распространение аудиосигналов за пределы определенной области.