如果您可以在不戴耳機或耳塞的情況下聽音樂或播客並且不會打擾周圍的任何人，該怎麼辦？或者在公共場合進行私人談話而不讓其他人聽到你的聲音？
我們新發表的研究介紹了一種創建方法可聽見的飛地– 與周圍環境隔離的局部聲音區域。換句話說，我們開發了一種技術，可以在需要的地方准確地發出聲音。
發送僅在特定位置才能聽到的聲音的能力可以改變娛樂、通信和空間音頻體驗。
什麼是聲音？
聲音是一種振動以波的形式在空氣中傳播。當物體前後移動、壓縮和減壓空氣分子時，就會產生這些波。
這些振動的頻率決定了音調。低頻對應於低沉的聲音，如低音鼓；高頻對應於尖銳的聲音，例如口哨聲。
由於一種現象，控制聲音的傳播方向很困難稱為衍射– 聲波傳播時傳播的趨勢。這種效應對於低頻聲音尤其強烈，因為它們的波長較長，使得幾乎不可能將聲音限制在特定區域。
某些音頻技術，例如參數陣列揚聲器, 可以創建聚焦聲束瞄準特定方向。然而，這些技術仍然會發出在穿越太空時在整個路徑上都能聽到的聲音。
聲音飛地的科學
我們找到了一種向特定聽眾發送聲音的新方法：通過自彎曲超聲波束和非線性聲學概念。
超聲波是指頻率高於人類聽覺範圍，即20kHz以上的聲波。這些波像普通聲波一樣在空氣中傳播，但人們聽不到。
由於超聲波可以穿透許多材料並以獨特的方式與物體相互作用，因此它被廣泛用於醫學影像還有很多工業應用。
在我們的工作中，我們使用超聲波作為可聽聲音的載體。它可以無聲地在空間中傳輸聲音——只有在需要時才可以聽到。我們是如何做到這一點的？
一般情況下，聲波線性組合，這意味著它們只是按比例加起來形成更大的波浪。然而，當聲波足夠強時，它們可以非線性相互作用，產生以前不存在的新頻率。
這是我們技術的關鍵：我們使用兩個不同頻率的超聲波束，它們本身完全無聲。但當他們空間相交，非線性效應導致它們產生僅在特定區域才能聽到的可聽頻率的新聲波。
至關重要的是，我們設計了可以自行彎曲的超聲波束。通常，聲波沿直線傳播，除非有物體阻擋或反射它們。然而，通過使用聲學超表面– 操縱聲波的特殊材料 – 我們可以塑造超聲波束，使其在傳播時彎曲。
與光學透鏡彎曲光線的方式類似，聲學超表面改變聲波路徑的形狀。通過精確控制超聲波的相位，我們創造了彎曲的聲音路徑它可以繞過障礙物並在特定的目標位置相遇。
起作用的關鍵現像是所謂的差頻產生。當兩個頻率略有不同的超聲波束（例如 40 kHz 和 39.5 kHz）重疊時，它們會以其頻率差產生新的聲波 - 在本例中為 0.5 kHz 或 500 Hz，完全在人類聽覺範圍內。
只有光束交叉的地方才能聽到聲音。在那個交叉點之外，超聲波保持沉默。
這意味著您可以將音頻傳送到特定位置或人員，而不會在聲音傳播時打擾其他人。
推進聲音控制
創建音頻飛地的能力具有許多潛在的應用。
音頻飛地可以在公共場所提供個性化音頻。例如，博物館可以為不戴耳機的遊客提供不同的音頻指南，圖書館可以讓學生在不打擾他人的情況下通過音頻課程學習。
在車裡，乘客可以聽音樂，而不會分散駕駛員聽導航指令的注意力。辦公室和軍事環境也可以受益於用於機密對話的本地化語音區域。
音頻飛地還可以消除指定區域的噪音，創建安靜區域，以提高工作場所的注意力或減少城市的噪音污染。
這不會在不久的將來被束之高閣。例如，我們的技術仍然面臨挑戰。非線性失真會影響音質。功率效率是另一個問題——將超聲波轉換為可聽聲音需要高強度場，而產生這些場可能需要消耗大量能量。
儘管存在這些障礙，音頻飛地還是在聲音控制方面帶來了根本性的轉變。通過重新定義聲音與空間的交互方式，我們為沈浸式、高效和個性化的音頻體驗開闢了新的可能性。
Jiaxin Zhong, 聲學博士後研究員,賓夕法尼亞州立大學和Yun Jing，聲學教授，賓夕法尼亞州立大學
