研究人员利用超声波束创造私密声音空间

Yung Jing and Jiaxin Zhong/Pennsylvania State University

通过3D打印超颖表面发射的超声波束能够创建局部的声音区域，这些声音对路人来说是听不见的。该技术可用于创建用于安全通信的私人语音区域，或者在公共场所和交通工具中实现个性化的音频空间。

无需耳机就能将声音传送给特定听众的能力（被称为定向声音）一直是音频工程领域长期研究的一个方向。但实现这一目标通常需要大型且复杂的声源，而且沿着波束路径经常可能听到音频信号。

宾夕法尼亚州立大学的研究人员提出了一种新方法，通过将一组紧凑型超声发射器与一种特制的二维结构相结合来克服这些局限，该二维结构旨在操控波的特性。这种被称为超颖表面的结构会产生对人类来说听不见的“自弯曲（self-bending）”超声波束（https://spectrum.ieee.org/ultrasound-imaging-2659304486），并且这种波束能够绕过障碍物。当两束这样的波束交叉时，它们会以一种方式相互作用，从而产生处于人类可听范围内但局限于仅几厘米宽的点上的声音，研究人员将这个点称为“可听飞地（audible enclave）”。

“关键的创新之处在于，声音只在两束波束相交的地方产生，这就使得在保持波束本身无声的同时将音频传送到精确的地点成为可能，”宾夕法尼亚州立大学的博士后研究员、在《美国国家科学院院刊》上发表描述这一新方法的论文的第一作者Jia-Xin Zhong说道（https://dx.doi.org/10.1073/pnas.2408975122）。

先前的研究已经证明了可听的自弯曲波束能够绕过障碍物。但是可听声的长波长意味着声源通常必须达到米级规模，并且在波束传播路径的任何地方都有可能听到信号。

宾夕法尼亚州立大学的团队提出了一种新技术，该技术转而依靠人类听不到且可通过小得多的硬件产生的超声波束。为了使波束能够自我弯曲，他们3D打印了一个16厘米×8厘米的网格状超颖表面，将其放置在一组超声发射器的前面。这样做的效果是精确控制输出波束的相位。“这些超颖表面就像一个声学透镜，控制波阵面，从而使波束在传播时发生弯曲，”Zhong说道（https://spectrum.ieee.org/tag/metasurfaces）。

他们证明了，其中两束波束能够绕过一个仿真人头弯曲，并在脸部正前方相交。当两列声波相互作用时，它们能产生一个次生波，其频率等于原始波之间的频率差。通过使用频率为40千赫兹和39.5千赫兹的一对波束，研究人员在仿真人头前方产生了一个直径几厘米、频率为500赫兹（处于可听范围内）的声音区域。

研究人员表明，通过改变其中一束波束的频率，他们可以使用相同的超颖表面在可听范围内（从125赫兹到4千赫兹）产生跨越六个八度的音频。虽然这些实验涉及创建简单的单频音调，但研究人员还证明了这种方法适用于亨德尔《弥赛亚》中的“哈利路亚大合唱”的一段9秒的乐段，该乐段在一系列频率上波动。

相交的超声波束

Zhong表示，目前这种方法的主要问题在于，当两束波束相互作用时，可能会产生使音频信号变模糊的失真情况。不过，研究人员认为可以使用新的信号处理技术来解决这个问题，包括使用能够学会补偿失真的深度学习算法。

目前，自弯曲波束的轨迹是固定的，这意味着为了避开障碍物，声源的位置必须精确。Zhong说，该团队希望最终能制造出可重新配置的波束，这些波束能够动态调整以避开不同的物体。

他说：“我们设想使用自适应处理算法来实时动态调整波束轨迹，使波束能够根据环境反馈智能地绕过障碍物。这将使该技术在障碍物可能移动或改变位置的现实应用中更具通用性。”

Zhong表示，这项技术的潜在应用非常广泛。例如，这可能包括在公共场所创建个性化音频，像博物馆里不需要耳机的语音导览。他补充说，这可以让汽车里的不同乘客收听各自的音频而不互相干扰彼此的体验，或者为机密信息创建私人语音区域。投射出能抵消现有声场的音频也可以实现局部降噪。