Инженеры из MIT предложили использовать для передачи направленного звука лазерный луч. В основе их решения лежит фотоакустический эффект, когда водяной пар в атмосфере поглощает энергию света. Этот процесс приводит к локальному повышению давления воздуха и возникновению звуковых колебаний. Эти колебания человек способен воспринимать без дополнительного носимого оборудования.

Лазер для передачи звука

Технология направленного звука, способная формировать аудиопоток, слышимый в небольшой области пространства, известна ещё с 1980-х годов. Однако звук от таких систем (в том числе современных) сложно назвать узконаправленным: в среднем он распространяется на зону диаметром в 50 сантиметров. Большой размер области покрытия ограничивает их применение.

Сегодня они используются для создания «аудиоточек» в музеях — чтобы посетители могли слушать лекции электронных гидов и не мешать другим — но не годятся для трансляции аудиопотока конкретному человеку на большом расстоянии.

Эту проблему решили инженеры из MIT. Они предложили использовать для передачи направленного звука точно лазерный луч. В основе их решения лежит фотоакустический эффект, когда водяной пар в атмосфере поглощает энергию света. Этот процесс приводит к локальному повышению давления воздуха и возникновению звуковых колебаний. Эти колебания человек способен воспринимать без дополнительного носимого оборудования.

Как это работает

В качестве источника излучения инженеры из MIT использовали тулиевый лазер, который обычно применяют в медицине и косметологии. Устройство способно генерировать излучение с длиной волны от 1900 до 2000 нм — ближний инфракрасный диапазон электромагнитного спектра. Решение применить тулиевый лазер связано с тем, что водяной пар в воздухе лучше всего поглощает волны именно этой длины. Ещё одна причина — свет с длиной волны 1900 нм безвреден для сетчатки глаза и кожи человека.

Разработчики предложили два способа передачи звука. В первом методе задействован акустооптический модулятор — устройство, которое меняет интенсивность пропускаемого света. Оно состоит из стеклянной пластины, на которой при помощи пьезоэлектрического преобразователя создаётся бегущая ультразвуковая волна, меняющая интенсивность луча. Достоинством этого подхода стало довольно высокое качество передаваемого звука — исследователям удалось успешно воспроизвести запись речи и даже музыку.

Во втором способе передачи аудиоинформации вместо модулятора используется вращающееся зеркало. Оно перемещает лазерную точку в пространстве около слушателя со скоростью звука, что приводит к интерференции акустических сигналов и их усилению.

В этом случае качество звука хуже, чем в первом методе. Однако сам звук оказывается гораздо более громким — авторам удалось достигнуть значения в 60 дБ на расстоянии в 2,5 метра (в первом случае максимумом были 30 дБ).

Пока что разработчикам не удалось создать систему, которая бы объединила достоинства — громкость и качество звука — обоих подходов. Но они продолжат работу в этом направлении. Инженеры планируют развивать метод на основе вращающегося зеркала. Решение связано с тем, что «сделать громче» звук в первом случае можно только за счет более мощного лазера, а он уже будет опасен для человека.

Другие методы передачи направленного звука

Идея использовать лазер для передачи звука на расстояние не нова. Подобную технологию предложили в Министерстве обороны США. Они использовали два оптических устройства: фемтосекундный лазер, который создает в воздухе шар плазмы, и нанолазер, настроенный на узкий диапазон длин волн и генерирующий в этом шаре звуковые колебания.

В результате в воздухе раздается неприятный шум, похожий на звук сирены. Устройство планируют применять для защиты секретных объектов от посторонних.

Фото D-Kuru / CC BY-SA

Для передачи направленного звука также используют микроволны. Несколько лет назад группа исследователей из университета Иллинойса в Чикаго изучала возможность передачи аудиосигнала с помощью аппарата МРТ, используя черепные кости человека в качестве «носителя» звуковых колебаний. Инженерам удалось передать явно различимые акустические щелчки, но сколько-нибудь сложные аудиозаписи воспроизвести не удалось. Звуковые волны были недостаточно мощными для этого.

Еще одним способом воспроизведения аудиозаписей в небольшой области пространства является ультразвук. Компания Noveto в прошлом году представила акустическую колонку, которая имеет 3D-сенсоры, отслеживающие положение головы слушателя. Затем она рассчитывает, в каком направлении и под каким углом нужно посылать ультразвуковые волны, чтобы создать у слушателя ощущение «виртуальных наушников».

Перспективы направленного звука

Сегодня направленный звук преимущественно используют на выставках или в рекламе. Однако ожидается, что в будущем он станет более эффективным маркетинговым инструментом. Например, колонки Noveto планируют использовать вместе с системой распознавания лиц для передачи таргетированных рекламных объявлений для прохожих на улице.

С новыми методами передачи звука появятся и другие сферы их применения. Например, решение инженеров из MIT предлагают использовать в системах персонального оповещения людей об опасностях, так как лазер способен транслировать звук на очень большие расстояния.