如果您可以在不戴耳机或耳塞的情况下听音乐或播客并且不会打扰周围的任何人，该怎么办？或者在公共场合进行私人谈话而不让其他人听到你的声音？
我们新发表的研究介绍了一种创建方法可听见的飞地– 与周围环境隔离的局部声音区域。换句话说，我们开发了一种技术，可以在需要的地方准确地发出声音。
发送仅在特定位置才能听到的声音的能力可以改变娱乐、通信和空间音频体验。
什么是声音？
声音是一种振动以波的形式在空气中传播。当物体前后移动、压缩和减压空气分子时，就会产生这些波。
这些振动的频率决定了音调。低频对应于低沉的声音，如低音鼓；高频对应于尖锐的声音，例如口哨声。
由于一种现象，控制声音的传播方向很困难称为衍射– 声波传播时传播的趋势。这种效应对于低频声音尤其强烈，因为它们的波长较长，使得几乎不可能将声音限制在特定区域。
某些音频技术，例如参数阵列扬声器, 可以创建聚焦声束瞄准特定方向。然而，这些技术仍然会发出在穿越太空时在整个路径上都能听到的声音。
声音飞地的科学
我们找到了一种向特定听众发送声音的新方法：通过自弯曲超声波束和非线性声学概念。
超声波是指频率高于人类听觉范围，即20kHz以上的声波。这些波像普通声波一样在空气中传播，但人们听不到。
由于超声波可以穿透许多材料并以独特的方式与物体相互作用，因此它被广泛用于医学影像还有很多工业应用。
在我们的工作中，我们使用超声波作为可听声音的载体。它可以无声地在空间中传输声音——只有在需要时才可以听到。我们是如何做到这一点的？
一般情况下，声波线性组合，这意味着它们只是按比例加起来形成更大的波浪。然而，当声波足够强时，它们可以非线性相互作用，产生以前不存在的新频率。
这是我们技术的关键：我们使用两个不同频率的超声波束，它们本身完全无声。但当他们空间相交，非线性效应导致它们产生仅在特定区域才能听到的可听频率的新声波。
至关重要的是，我们设计了可以自行弯曲的超声波束。通常，声波沿直线传播，除非有物体阻挡或反射它们。然而，通过使用声学超表面– 操纵声波的特殊材料 – 我们可以塑造超声波束，使其在传播时弯曲。
与光学透镜弯曲光线的方式类似，声学超表面改变声波路径的形状。通过精确控制超声波的相位，我们创造了弯曲的声音路径它可以绕过障碍物并在特定的目标位置相遇。
起作用的关键现象是所谓的差频产生。当两个频率略有不同的超声波束（例如 40 kHz 和 39.5 kHz）重叠时，它们会以其频率差产生新的声波 - 在本例中为 0.5 kHz 或 500 Hz，完全在人类听觉范围内。
只有光束交叉的地方才能听到声音。在那个交叉点之外，超声波保持沉默。
这意味着您可以将音频传送到特定位置或人员，而不会在声音传播时打扰其他人。
推进声音控制
创建音频飞地的能力具有许多潜在的应用。
音频飞地可以在公共场所提供个性化音频。例如，博物馆可以为不戴耳机的游客提供不同的音频指南，图书馆可以让学生在不打扰他人的情况下通过音频课程学习。
在车里，乘客可以听音乐，而不会分散驾驶员听导航指令的注意力。办公室和军事环境也可以受益于用于机密对话的本地化语音区域。
音频飞地还可以消除指定区域的噪音，创建安静区域，以提高工作场所的注意力或减少城市的噪音污染。
这不会在不久的将来被束之高阁。例如，我们的技术仍然面临挑战。非线性失真会影响音质。功率效率是另一个问题——将超声波转换为可听声音需要高强度场，而产生这些场可能需要消耗大量能量。
尽管存在这些障碍，音频飞地还是在声音控制方面带来了根本性的转变。通过重新定义声音与空间的交互方式，我们为沉浸式、高效和个性化的音频体验开辟了新的可能性。
Jiaxin Zhong, 声学博士后研究员,宾夕法尼亚州立大学和Yun Jing，声学教授，宾夕法尼亚州立大学
