Влучах звука: слышимость избирательная

Влучах звука: слышимость избирательная

Мысль создать излучатель направленного звука имеет давешнюю историю. Еще в конце XIX века известный собственными очень наглядными опытами американский физик Роберт Вуд совместно со своим другом Портером сконструировал практически трехметровый картонный мегафон диаметром более полуметра. по словам Уильяма Сибрука, биографа Вуда, с его помощью возможно было передавать голос на большое расстояние — делать неожиданные замечания людям, стоящим за два-три квартала.

Сидя в помещении Вуда на верхнем этаже дома на улице Мак-Куллоха, они поджидали подходящую жертву. Человеку, идущему по безлюдной улице в конце квартала, говорили: «Прошу прощения, вы что-то уронили». Тот останавливался, оглядывался назад, позже под ноги и, постояв 60 секунд, шел дальше.

Как-то подшутили над полисменом, любезничавшим с девушкой, сказав ему ласковым голосом, что «у всех полицейских огромные ноги».

Неумолимая дифракция

Большая часть современных звуковых излучателей имеет широкую диаграмму направленности. И сделать ее yже очень тяжело — физика неумолима. Звук — это волна, и угол «расплывания» пучка определяется дифракцией.

Дабы «сфокусировать» звук в узкий пучок, размер излучателя обязан быть больше длину волны. Это одна из обстоятельств, по которой сабвуфер слышно во всем доме, в то время как высокочастотными эффектами возможно насладиться, только сидя перед колонками.

Протяженность звуковых волн слышимого диапазона может быть около нескольких метров, что значительно превышает размеры классических динамиков, исходя из этого звук привычных нам громкоговорителей распространяется во все стороны. Согласитесь: вряд ли имеет суть конструировать колонку размером с дом чтобы «целиться» в конкретных слушателей. Второй метод создания узконаправленного пучка звуковых волн (при в полной мере разумных размерах излучателей) — уменьшение длины волны до сантиметров и миллиметров. но имеется одна неприятность: услышать таковой звук человек не сможет.

Потомки сонаров

Ультразвук с сантиметровыми и миллиметровыми волнами отыскал широкое использование в акустике с 1940-х годов. Сонары (ультразвуковые гидролокаторы) были придуманы, дабы обнаруживать субмарины в толще воды. в 1960-х исследователи увидели, что из-за нелинейных эффектов в воде появляются более низкие, чем излучаемые, частоты. Это стало причиной разработке новой математической базы и направленных и широкополосных сонаров, так называемых параметрических звуковых антенных решеток.

В 1975 году доктор наук Техасского университета Дэвид Блэксток и его студентка Мери Беннетт разместили в издании Американского общества акустиков (JASA) статью о том, что им удалось взять слышимые частоты из ультразвука в воздухе. Следующие 20 лет инженеры Matsushita, Denon и Ricoh пробовали извлечь из этого результата практическую пользу. При распространении ультразвука в воздухе звук преобразовывался в слышимый, но коэффициент гармонических искажений превышал 50%, исходя из этого коммерческие образцы так и не показались.

В 1990-х этим вопросом занялся студент Северо-Западного университета США Джозеф Помпеи. Классические способы воспроизведения звука не устраивали его еще с тех лет, в то время, когда он был самым молодым инженером компании Bose (тогда ему было 16 лет!), и он заинтересовался преобразованием ультразвуковых частот в слышимые. Продолжив образование в известном Массачусетсском технологическом университете (МIT), Помпеи совершил важные исследования нелинейной акустики, создал теорию и, попутно защитив диссертацию, смог в 1997-м сконструировать первый фактически применимый узконаправленный источник звука.

Звуковая революция

Джозеф Помпеи — воплощение «американской грезы». Взяв патент, он основал компанию Holosonic Research Labs, положив в нее две тысячи долларов. В собственные 32 года профессор Помпеи находится на пороге появления многомиллиардного рынка революционных звуковых совокупностей.

Разработка Holosonics называющиеся Audio Spotlight является набором маленьких ультразвуковых излучателей, объединенных на одной панели. Протяженность волны ультразвука большое количество меньше размеров динамика, исходя из этого волны излучаются узким «столбом». В случае если приложить к Audio Spotlight ухо, мы не услышим ничего — излучаемый звук лежит в диапазоне от 40 до 80 кГц (средний человек принимает только частоты до 20 кГц).

Но по мере распространения в воздухе (приблизительно через полметра) за счет нелинейных эффектов происходит появление «заложенных» в ультразвуковые импульсы слышимых частот.

«Я использую ультразвуковой сигнал сложной формы, полученный методом некоего подобия амплитудной модуляции нелинейно преобразованного аудиосигнала, — поведал «Популярной механике» Джозеф Помпеи. — Основная часть процесса — модуляции сигнала и алгоритмы обработки, каковые я создал в МIT. Мне удается вернуть слышимый звук Hi-Fi качества c динамическим диапазоном в 100 дБ и гармоническими искажениями, не превышающими 1%. Никто в мире не смог кроме того близко подойти к таким показателям».

Исходный аудиосигнал обрабатывается эквалайзером, а после этого поступает на вход нелинейного процессора, вносящего нужные предискажения. Опознать в выходном сигнале исходный звук фактически нереально. Этим знаком модулируется ультразвук, улучшается и воспроизводится посредством динамиков.

А по мере распространения за счет нелинейности воздуха ультразвук «искажается», восстанавливая форму исходного аудиосигнала. «Звук генерируется прямо в воздухе, а не самим динамиком, — говорит Помпеи. — Это подобно тому, как если бы сделать «звуковую» голограмму, которая и излучает звук. Как раз исходя из этого моя компания именуется Holosonic».

Голоса в голове

Излучаемый динамиками Audio Spotlight ультразвук образует столб диаметром около метра. Пребывав в этого столба, человек слышит отличный звук, но стоит ему сделать ход в звук — и сторону всецело исчезает. Звук возможно направлять подобно лучу прожектора, адресуя его персонально тому либо иному слушателю, он может отражаться от стенку, как луч света, сохраняя наряду с этим собственную узкую направленность.

Наряду с этим отражения звука от поверхностей в столба (к примеру, от людей) практически не слышны тем, кто находится снаружи. «Это как свет настольной лампы, — говорит Помпеи. — Вы видите, что она включена, но свет ее не мешает, потому, что в глаза попадает только малая его часть».

Все это разрешает добиться практически неосуществимого — без звукоизоляции и всяких наушников направлять звук в нужную точку с точностью до нескольких сантиметров. В следствии Holosonic Research Labs практически завалена заказами — большие музеи и выставочные залы устанавливают Audio Spotlight перед экспонатами (наряду с этим в зале сохраняется тишина, а визитёры соседних стендов не мешают друг другу), а торговые комплексы покупают Audio Spotlight в качестве источника локальной звуковой рекламы, не повышающей неспециализированный уровень шума.

В офисных шоу-румах звуковыми панелями оснащаются личные компьютерные терминалы либо демонстрационные экраны. В больших офисных комплексах Audio Spotlight может употребляться кроме этого как действенное средство коммуникации: вместо того дабы обращаться к конкретному сотруднику по громкой связи, афишируя адресную данные и отвлекая окружающих, возможно обратиться к нему персонально.

Пара лет назад компания DaimlerChrysler представила концепт-кар, в котором излучатели Audio Spotlight расположены над всеми пассажирскими местами. Любой сидящий в машине может слушать собственный диск либо радиостанцию, не мешая вторым. Это чудо пока не пошло в серию из-за большой стоимости излучателей ($1000−2000 за каждую панель), но концепт-кар Дженерал моторс Juno, оснащенный Audio Spotlight, возможно заметить в выставочном центре Walt Disney s Epcot Innoventions, посвященном разработкам мира будущего.

А компания British Airways разглядывает установку излучателей Audio Spotlight над каждым пассажирским местом как важную альтернативу наушникам.

Так что в случае если внезапно вы услышите голоса, каковые не слышит никто второй, — не пугайтесь, вы не сошли с ума. Легко вы попали в зону действия Audio Spotlight.

Нелинeйная акустика

В большинстве случаев, воздушное пространство возможно с определенной точностью вычислять линейной средой для звука — что излучит динамик, то мы и услышим. В действительности при распространении звука появляются искажения — но при маленькой интенсивности они малы и мы их просто не слышим. При повышении интенсивности часть искажений возрастает (несложный пример — появление гармоник).

Из-за чего это происходит? Звуковая волна относится к продольным волнам и является чередованием пиков разрежения и сжатия среды. Сжатие происходит в воздухе так скоро, что процесс можно считать адиабатическим, наряду с этим температура увеличивается.

В следствии пики сжатия бегут чуть стремительнее, чем пики разрежения, а также совершенный гармонический импульс «расплывается» и теряет синусоидальную форму, что ведет к появлению в его спектре новых частот. Какие конкретно как раз новые частоты покажутся, зависит от вида нелинейности и спектра импульса и начальной формы.

На работе у музы

Разработка XXI века не имела возможности остаться незамеченной музыкантами. Фаворит легендарной группы U2 Боно уже заказал у Holosonic замечательную версию «звукового прожектора», дабы применять его на живых шоу (как это делается посредством световых прожекторов). Кстати, Джозеф Помпеи, еще и хороший джазовый музыкант, поведал, что музыка во многом воодушевляла его при создании новой разработке: «Я воображал себе хореографию музыкальных звуков, в то время, когда отдельные инструменты перемещаются подобно танцорам.

Разработка Audio Spotlight делает это вероятным».

Соперник

Элвуд «Вуди» Норрис, в отличие от Джозефа Помпеи, начинал оттачивать собственные технические знания еще 40 лет назад на работе в ВВС Соеденненых Штатов в качестве техника по обслуживанию радаров. Норрис не имеет ученой степени, но известен множеством изобретений: от мини-диктофона до персонального вертолета. Первые опыты по направленному звуку Норрис проводил в собственном гараже.

Он изучил теоретические базы нелинейной акустики, и инвестировал $40 млн. в разработку нового продукта. Изобретение Норриса, производимое компанией American Technology Corporation, именуется HSS (Hypersonic Sound). HSS проигрывает Audio Spotlight по практически всем эксплуатационных особенностей.

Частотный потолок HSS образовывает всего 16 кГц, большой уровень гармонических искажений (до 30%), ограниченный невысокая надёжность и динамический диапазон не разрешают совокупности соперничать с Audio Spotlight. Исходя из этого у ATC до тех пор пока нет ни одной настоящей коммерческой инсталляции.

Но American Technology Corporation собирается предложить собственные разработки армейским. MRAD (Medium Range Acoustic Device), основанный на правилах нелинейного преобразования частот, разрешит армейским либо милицейским обращаться к конкретному лицу либо маленькой группе лиц на расстоянии до 300 м. Сообщение не будет услышано никем, не считая предполагаемых нарушителей порядка, так что его возможно передать на высокой громкости: именно поэтому, как утверждает ATC, «MRAD владеет особенной свойством убеждения».

Устройство кроме этого может оказаться нужным для работ береговой охраны, каковые возьмут возможность с берега адресно обращаться к обладателям судов. Посредством MRAD возможно обратиться с борта вертолета к находящимся на земле, тогда как простые мегафоны заглушаются шумом винта и двигателей. Следующий ход ATC навстречу армейским — это «звуковая пушка», разрешающая прицельно поражать неприятеля. Возможно ли защититься от «звукового огня», легко заткнув уши?

Об этом американские армейские до тех пор пока умалчивают.

Статья размещена в издании «Популярная механика» (№41, март 2006).

как обесшумить стену в квартире


Читайте также: