研究人员创造出可在空间中弯曲并仅到达你耳朵的 Sound
[中文正文内容]
只为你倾听。 Cinefootage Visuals/iStock via Getty Images Plus
研究人员创造出可在空间中弯曲并仅到达你耳朵的 Sound
发布时间：2025 年 3 月 17 日下午 3:01 EDT
Jiaxin Zhong, Yun Jing, Penn State
作者
-
Jiaxin Zhong
声学博士后研究员, Penn State - Yun Jing
声学教授, Penn State
披露声明
Yun Jing 接受 NSF 的资助。 Jiaxin Zhong 不为任何可能从本文中受益的公司或组织工作、咨询、拥有股份或接受资助，并且除了他们的学术任命外，没有披露任何相关的从属关系。
合作伙伴
Penn State 作为 The Conversation US 的创始合作伙伴提供资金。
查看所有合作伙伴
语言
- Portuguese
- English
我们相信信息的自由流动
在 Creative Commons 许可下，免费在线或印刷重新发布我们的文章。
重新发布这篇文章 Copy link Email X (Twitter) Bluesky Facebook LinkedIn WhatsApp Messenger Print
https://theconversation.com/researchers-created-sound-that-can-bend-itself-through-space-reaching-only-your-ear-in-a-crowd-252266 Link copied Share article
想象一下，无需耳机或耳塞，也不会打扰周围的人，就能听音乐或播客？或者在公共场合进行私人对话，而其他人听不到？
我们新发表的研究引入了一种创建 audible enclaves 的方法——与周围环境隔离的局部声音区域。换句话说，我们开发了一种技术，可以将声音精确地创建在它需要存在的地方。
能够将声音发送到仅在特定位置可听的位置，可能会改变娱乐、通信和空间音频体验。
什么是 Sound？
Sound 是一种振动，它以波的形式在空气中传播。当物体来回移动，压缩和解压空气分子时，就会产生这些波。
这些振动的频率决定了音高。低频率对应于低沉的声音，例如低音鼓；高频率对应于尖锐的声音，例如口哨。
Sound 由以连续波运动的粒子组成。 Daniel A. Russell, CC BY-NC-ND
控制 Sound 的传播方向很困难，因为存在一种 称为 diffraction 的现象——Sound 波在传播时会扩散的趋势。对于低频 Sound 来说，这种效应尤其强烈，因为它们的波长更长，这使得将 Sound 限制在特定区域几乎不可能。
某些音频技术，例如 parametric array loudspeakers，可以创建指向特定方向的 focused sound beams。但是，这些技术仍然会沿着其在空间中传播的整个路径发出可听见的 Sound。
audible enclaves 的科学原理
我们找到了一种将 Sound 发送到一个特定听众的新方法：通过自弯曲的 ultrasound beams 和一个称为 nonlinear acoustics 的概念。
Ultrasound 指的是频率高于人类听觉范围（即高于 20 kHz）的 Sound 波。这些波像正常的 Sound 波一样在空气中传播，但人耳听不到。由于 ultrasound 可以穿透许多材料并以独特的方式与物体相互作用，因此它被广泛用于 medical imaging 和许多 industrial applications。
在我们的工作中，我们使用 ultrasound 作为可听 Sound 的载体。它可以无声地在空间中传输 Sound —— 只有在需要时才变得可听。我们是如何做到的呢？
通常，Sound 波 linearly combine，这意味着它们只是按比例相加形成一个更大的波。但是，当 Sound 波足够强时，它们会 nonlinearly interact，从而产生以前不存在的新频率。
这是我们技术的关键：我们使用两个频率不同的 ultrasound beams，它们本身是完全无声的。但是，当它们在 space intersect 时，nonlinear effects 会导致它们以可听频率生成新的 Sound 波，该 Sound 波只能在该特定区域听到。
Audible enclaves 是在两个 ultrasound beams 的交点处创建的。 Jiaxin Zhong et al./PNAS, CC BY-NC-ND
至关重要的是，我们设计的 ultrasonic beams 可以自行弯曲。通常，Sound 波沿直线传播，除非有东西阻挡或反射它们。但是，通过使用 acoustic metasurfaces —— 操纵 Sound 波的专用材料 —— 我们可以塑造 ultrasound beams，使其在传播时弯曲。与光学透镜弯曲光线类似，acoustic metasurfaces 会改变 Sound 波路径的形状。通过精确控制 ultrasound 波的相位，我们创建了可以绕过障碍物并在特定目标位置相遇的 curved sound paths。
发挥作用的关键现象是所谓的 difference frequency generation。当两个频率略有不同的 ultrasonic beams（例如 40 kHz 和 39.5 kHz）重叠时，它们会创建一个新的 Sound 波，其频率为它们频率之间的差值——在本例中为 0.5 kHz，或 500 Hz，这完全在人类听觉范围内。只有在光束交叉的地方才能听到 Sound。在该交叉点之外，ultrasound 波保持无声。
这意味着您可以将音频传递到特定位置或人，而不会在 Sound 传播时打扰其他人。
推进 Sound 控制
创建 audio enclaves 的能力具有许多潜在的应用。
Audio enclaves 可以在公共场所实现个性化音频。例如，博物馆可以为游客提供不同的 audio guides，而无需耳机，图书馆可以让学生通过音频课程进行学习，而不会打扰他人。
在汽车中，乘客可以听音乐，而不会分散驾驶员听到导航指令的注意力。办公室和军事环境也可以从用于机密对话的 localized speech zones 中受益。Audio enclaves 还可以进行调整，以消除指定区域的噪音，从而创建安静区域，以提高工作场所的注意力或减少城市的噪音污染。
只有你能听到的 Sound。 Daly and Newton/The Image Bank via Getty Images
这不是短期内会出现在货架上的东西。例如，我们的技术仍然面临着挑战。Nonlinear distortion 会影响音质。而 power efficiency 是另一个问题——将 ultrasound 转换为可听 Sound 需要高强度场，而产生这种强度场可能需要消耗大量能量。
尽管存在这些障碍，audio enclaves 仍代表着 Sound 控制的根本转变。通过重新定义 Sound 与空间交互的方式，我们为沉浸式、高效和个性化的音频体验开辟了新的可能性。
想要写作？
撰写一篇文章，加入一个由来自 5,160 所机构的 200,400 多名学者和研究人员组成的不断壮大的社区。 立即注册