To właśnie oni dokonali imponującego przełomu w dziedzinie akustyki. Ich najnowsze dzieło to punktowy głośnik kierunkowy o nazwie MiPAL, które potrafi wysyłać strumień dźwięku z precyzją lasera, sprawiając, że mowa czy muzyka docierają wyłącznie do wybranego słuchacza.
Jak oszukać fizykę? Od fali światła do ultradźwięków
Światło i dźwięk zachowują się w przyrodzie w całkowicie odmienny sposób. Światło emitowane z latarki czy wskaźnika laserowego podróżuje po prostej linii, tworząc wąski, skoncentrowany promień. Z kolei falowa natura dźwięku sprawia, że rozchodzi się on rozproszony we wszystkich możliwych kierunkach – to właśnie dlatego słyszymy nawet głos osoby rozmawiającej za grubą ścianą czy w sąsiednim pokoju. Zbudowanie głośnika, który emitowałby falę akustyczną niczym promień świetlny, od lat stanowiło jedno z największych wyzwań współczesnej fizyki i do tej pory pozostawało raczej rozwiązaniem prezentowanym w filmach science fiction. Aż do teraz.
Rozwiązaniem tego problemu stała się technologia tzw. parametrycznych przetworników głośnikowych. Polega ona na nakładaniu słyszalnych dla ludzkiego ucha dźwięków na niesłyszalne, wysokie fale ultradźwiękowe. Wykorzystując nieliniowe właściwości powietrza, ultradźwięki przenoszą i odtwarzają pożądaną muzykę lub mowę w konkretnym punkcie przestrzeni, zamiast rozpraszania go na boki, jak to ma miejsce normalnie.
Oczywiście w praktyce jest to jeszcze bardziej skomplikowane, dlatego dotychczasowe próby stworzenia takich głośników kierunkowych miały jednak potężne wady. Wymagały precyzyjnego zestawienia setek skomplikowanych i bardzo drogich przetworników ultradźwiękowych. Z kolei próby stworzenia prostszych, jednoelementowych urządzeń kończyły się fiaskiem – drgania membrany powodowały niepożądany wyciek dźwięku na boki, co całkowicie niszczyło kierunkowy efekt i pozwalało otoczeniu usłyszeć to, co miało pozostać ukryte.
Dwa metamateriały i podwójny pancerz akustyczny
Zespół badawczy z POSTECH pod kierownictwem profesora Junsuka Rho sięgnął więc po zaawansowaną inżynierię materiałową. Zamiast budować skomplikowane matryce składające się z setek elementów, inżynierowie zintegrowali w jednym pojedynczym przetworniku dwa odmienne rodzaje metamateriałów. Pełnią one funkcję podwójnej tarczy ochronnej:
- Przednia metapowierzchnia akustyczna zamontowana z przodu głośnika działa niczym skupiająca soczewka optyczna. Przekształca ona nieregularną, rozproszoną falę ultradźwiękową wygenerowaną przez membranę w niezwykle prosty, wąski promień skierowany idealnie przed siebie.
- Tylne moduły elastyczne przetwornika pełnią z kolei rolę pancernej bariery akustycznej. Ich zadaniem jest tłumienie szkodliwych wibracji i wyciszanie pobocznych częstotliwości, co całkowicie blokuje ucieczkę dźwięku na boki.
Efekt tej synergii okazuje się imponujący. Skonstruowane przez naukowców pojedyncze, kompaktowe urządzenie potrafi przesyłać odseparowany dźwięk w szerokim paśmie częstotliwości od 500 Hz do 10 kHz, co pokrywa ponad cztery oktawy ludzkiego słuchu i obejmuje większość pasma mowy oraz muzyki.
Testy już przeprowadzono i wyniki okazały się świetne
Aby sprawdzić, jak technologia MiPAL poradzi sobie w rzeczywistych warunkach, badacze przeprowadzili eksperyment symulujący układ siedzeń w nowoczesnym samolocie pasażerskim. Tam spędzamy zwykle sporo godzin, a film to idealny pożeracz czasu. Jak się okazało, zastosowanie podwójnych metamateriałów pozwoliło na idealne odseparowanie komunikatów oraz muzyki pomiędzy sąsiadującymi fotelami. Pasażer siedzący na jednym miejscu mógł wyraźnie słuchać zapowiedzi lub pokładowego filmu, podczas gdy osoba na fotelu obok znajdowała się w strefie idealnej ciszy.
Najlepsze zostawiłam jednak na koniec, bo innowacja z Korei została zaprojektowana z myślą o natychmiastowym, komercyjnym zastosowaniu w przemyśle. Cała struktura jest modułowa i może być tanio drukowana na drukarkach 3D, więc nie ma tu mowy o żadnych gigantycznych kosztach. Inżynierowie mogą bez problemu dostosowywać kształt i kąt emocji dźwięku do konkretnego urządzenia, wszystko zależy od potrzeb i tego, gdzie chcą zastosować to rozwiązanie.
Teraz tak naprawdę pozostaje czekać, aż znajdą się chętni na wprowadzenie tego w praktyce. A możliwości zastosowania tego w praktyce są nieograniczone. Nie chodzi tylko o telefony, ale chociażby o muzea, gdzie eksponaty mogłyby opowiadać nam swoją historię i ich głosy nie mieszałyby się ze sobą. W restauracjach stoliki mogłyby mieć własne odseparowane tło muzyczne, a na stacjach kolejowych komunikaty docierałyby wyłącznie do osób stojących na konkretnym odcinku peronu. Brzmi świetnie, prawda?
Problem w tym, że podobnych świetnych rozwiązań była już masa, ale niewiele z nich trafiło ostatecznie na komercjalny rynek. Wynalazek Koreańczyków ma tę przewagę, że jest tani i stosunkowo prosty do wdrożenia, jednak to od firm i instytucji publicznych zależy, czy będą chciały po to sięgnąć.
Źródło: Nature Communications