Cientistas criam som que pode fazer "curvas" no espaço e chegar apenas no seu ouvido em meio a uma multidão

E se você pudesse ouvir música ou um podcast sem fones de ouvido e sem incomodar ninguém ao seu redor? Ou ter uma conversa particular em público sem que outras pessoas o ouçam?

Nossa pesquisa recém-publicada apresenta uma maneira de criar enclaves de áudio - bolsões localizados de som isolados do resto do ambiente. Em outras palavras, desenvolvemos uma tecnologia que pode criar som exatamente onde ele precisa estar.

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A capacidade de enviar um som que se torna audível apenas em um local específico pode transformar o entretenimento, a comunicação e as experiências de áudio espacial.

O que é som?

O som é uma vibração que viaja pelo ar como uma onda. Essas ondas são criadas quando um objeto se move para frente e para trás, comprimindo e descomprimindo as moléculas de ar.

A frequência dessas vibrações é o que determina o tom. As baixas frequências correspondem a sons graves, como um bumbo; as altas frequências correspondem a sons agudos, como um apito.

É difícil controlar para onde o som vai por causa de um fenômeno chamado difração - a tendência das ondas sonoras de se espalharem à medida que viajam. Esse efeito é particularmente forte para sons de baixa frequência devido aos seus comprimentos de onda mais longos, tornando quase impossível manter o som confinado a uma área específica.

Certas tecnologias de áudio, como alto-falantes de matriz paramétrica, podem criar feixes de som focalizados direcionados a uma direção específica. No entanto, essas tecnologias ainda emitem som que é audível ao longo de todo o seu caminho enquanto viaja pelo espaço.

A ciência dos enclaves de áudio

Descobrimos uma nova maneira de enviar o som para um ouvinte específico: por meio de feixes de ultrassom autoflexionados e um conceito chamado acústica não linear.

O ultrassom refere-se a ondas sonoras com frequências acima da faixa de audição humana, ou seja, acima de 20 kHz. Essas ondas viajam pelo ar como ondas sonoras normais, mas são inaudíveis para as pessoas. Como o ultrassom pode penetrar em muitos materiais e interagir com objetos de maneiras únicas, ele é amplamente usado para imagens médicas e muitas aplicações industriais.

Em nosso trabalho, usamos o ultrassom como um transportador de som audível. Ele pode transportar o som pelo espaço silenciosamente, tornando-se audível somente quando desejado. Como fizemos isso?

Normalmente, as ondas sonoras se combinam linearmente, o que significa que elas se somam proporcionalmente em uma onda maior. Entretanto, quando as ondas sonoras são suficientemente intensas, elas podem interagir de forma não linear, gerando novas frequências que não estavam presentes antes.

Esse é o segredo da nossa técnica: Usamos dois feixes de ultrassom em frequências diferentes que são completamente silenciosos por si só. Mas quando eles se cruzam no espaço, efeitos não lineares fazem com que eles gerem uma nova onda sonora em uma frequência audível que seria ouvida somente naquela região específica.

Crucialmente, projetamos feixes ultrassônicos que podem se dobrar por conta própria. Normalmente, as ondas sonoras viajam em linhas retas, a menos que algo as bloqueie ou reflita. No entanto, usando metassuperfícies acústicas, materiais especializados que manipulam as ondas sonoras, podemos moldar os feixes de ultrassom para que se curvem à medida que viajam. Da mesma forma que uma lente óptica dobra a luz, as metassuperfícies acústicas alteram a forma do caminho das ondas sonoras. Ao controlar com precisão a fase das ondas de ultrassom, criamos caminhos de som curvos que podem contornar obstáculos e se encontrar em um local-alvo específico.

O principal fenômeno em jogo é o que chamamos de geração de diferença de frequência. Quando dois feixes ultrassônicos de frequências ligeiramente diferentes, como 40 kHz e 39,5 kHz, se sobrepõem, eles criam uma nova onda sonora na diferença entre suas frequências - nesse caso, 0,5 kHz, ou 500 Hz, que está bem dentro da faixa de audição humana. O som pode ser ouvido somente onde os feixes se cruzam. Fora dessa interseção, as ondas de ultrassom permanecem silenciosas.

Isso significa que você pode fornecer áudio a um local ou pessoa específica sem incomodar outras pessoas durante o trajeto do som.

Avanços no controle de som

A capacidade de criar enclaves de áudio tem muitas aplicações potenciais.

Os enclaves de áudio podem permitir áudio personalizado em espaços públicos. Por exemplo, os museus poderiam fornecer diferentes guias de áudio aos visitantes sem fones de ouvido, e as bibliotecas poderiam permitir que os alunos estudassem com aulas em áudio sem incomodar os outros.

Em um carro, os passageiros poderiam ouvir música sem distrair o motorista de ouvir as instruções de navegação. Escritórios e ambientes militares também poderiam se beneficiar de zonas de fala localizadas para conversas confidenciais. Os enclaves de áudio também poderiam ser adaptados para cancelar o ruído em áreas designadas, criando zonas de silêncio para melhorar a concentração nos locais de trabalho ou reduzir a poluição sonora nas cidades.

Isso não é algo que estará nas prateleiras das lojas em um futuro imediato. Por exemplo, ainda há desafios para nossa tecnologia. A distorção não linear pode afetar a qualidade do som. E a eficiência energética é outro problema - a conversão de ultrassom em som audível requer campos de alta intensidade que podem consumir muita energia para serem gerados.

Apesar desses obstáculos, os enclaves de áudio apresentam uma mudança fundamental no controle do som. Ao redefinir como o som interage com o espaço, abrimos novas possibilidades para experiências de áudio imersivas, eficientes e personalizadas.

Yun Jing recebe financiamento da NSF.

Jiaxin Zhong não presta consultoria, trabalha, possui ações ou recebe financiamento de qualquer empresa ou organização que poderia se beneficiar com a publicação deste artigo e não revelou nenhum vínculo relevante além de seu cargo acadêmico.