به گزارش ایسنا و به نقل از لایوساینس، صدا یک ارتعاش است که به‌صورت موج در هوا حرکت می‌کند. این امواج زمانی ایجاد می‌شوند که یک جسم به جلو و عقب حرکت کرده و باعث فشرده شدن و انبساط مولکول‌های هوا می‌شود.

فرکانس این ارتعاشات همان عاملی است که زیر و بمی صدا را تعیین می‌کند. فرکانس‌های پایین با صداهای بم، مانند صدای طبل بزرگ و فرکانس‌های بالا با صداهای زیر، مانند صدای سوت، مرتبط هستند.

کنترل مسیر حرکت صدا دشوار است به دلیل پدیده‌ای به نام پراش(diffraction)، یعنی تمایل امواج صوتی به پراکنده شدن در حین حرکت، این اثر به‌ویژه برای صداهای با فرکانس پایین قوی‌تر است، زیرا این صداها طول موج‌های بلندتری دارند که باعث می‌شود تقریباً غیرممکن باشد که صدا را در یک ناحیه خاص محدود نگه داشت.

برخی از فناوری‌های صوتی، مانند بلندگوهای آرایه پارامتری (parametric array loudspeakers)، می‌توانند پرتوهای صوتی متمرکزی ایجاد کنند که در یک جهت مشخص هدایت می‌شوند. با این حال، این فناوری‌ها همچنان در طول مسیر حرکت خود در فضا صدایی تولید می‌کنند که در همه جا قابل شنیدن است.

علم حفره‌های صوتی قابل شنیدن

محققان راه جدیدی برای ارسال صدا به یک شنونده خاص از طریق پرتوهای اولتراسوند خودخم‌شونده و مفهومی به نام آکوستیک غیرخطی، پیدا کرده‌اند.

اولتراسوند به امواج صوتی با فرکانس‌هایی بالاتر از محدوده شنوایی انسان، یعنی بالاتر از ۲۰ کیلوهرتز، گفته می‌شود. این امواج مانند امواج صوتی معمولی در هوا حرکت می‌کنند، اما برای انسان‌ها غیرقابل شنیدن هستند. از آنجا که اولتراسوند می‌تواند از میان بسیاری از مواد نفوذ کرده و به روش‌های منحصر به فردی با اشیا تعامل داشته باشد، به‌طور گسترده در تصویربرداری پزشکی و بسیاری از کاربردهای صنعتی مورد استفاده قرار می‌گیرد.

در این پژوهش، از اولتراسوند به‌عنوان حامل صداهای قابل شنیدن استفاده کردیم. این فناوری می‌تواند صدا را به‌صورت بی‌صدا در فضا منتقل کرده و تنها در زمان و مکان دلخواه شنیده شود، اما چگونه این کار را انجام دادیم؟

به‌طور معمول، امواج صوتی به‌صورت خطی با هم ترکیب می‌شوند، یعنی فقط به شکل متناسب با هم جمع می‌شوند و موجی بزرگ‌تر ایجاد می‌کنند، اما زمانی که امواج صوتی به اندازه کافی شدید باشند، می‌توانند به‌صورت غیرخطی با یکدیگر تعامل کنند و فرکانس‌های جدیدی ایجاد کنند که قبلاً وجود نداشتند.

نکته کلیدی در روش ما این است که از دو پرتو اولتراسوند با فرکانس‌های متفاوت استفاده می‌کنیم که هر کدام به تنهایی کاملاً بی‌صدا هستند، اما زمانی که این پرتوها در فضا با یکدیگر تلاقی می‌کنند، اثرات غیرخطی باعث می‌شود که آن‌ها یک موج صوتی جدید با فرکانسی قابل شنیدن ایجاد کنند که تنها در همان منطقه خاص شنیده می‌شود.

نکته مهم در روش ما این است که ما پرتوهای اولتراسوندی طراحی کرده‌ایم که می‌توانند به طور خودکار خم شوند. به طور معمول، امواج صوتی در خطوط مستقیم حرکت می‌کنند مگر اینکه چیزی مانع آن‌ها شود یا آن‌ها را بازتاب دهد. اما با استفاده از متاسطح‌های آکوستیکی — مواد ویژه‌ای که امواج صوتی را دستکاری می‌کنند — می‌توانیم پرتوهای اولتراسوند را در حین حرکت خم کنیم.

مشابه نحوه‌ای که یک عدسی نوری نور را خم می‌کند، متاسطح‌های آکوستیکی مسیر حرکت امواج صوتی را تغییر می‌دهند. با کنترل دقیق فاز امواج اولتراسوند، ما مسیرهای صوتی منحنی ایجاد می‌کنیم که می‌توانند از میان موانع عبور کرده و در یک مکان خاص به هم برسند.

پدیده کلیدی که در این فرایند نقش دارد، تولید فرکانس تفاضلی(Difference Frequency Generation) نامیده می‌شود. زمانی که دو پرتو اولتراسوند با فرکانس‌های کمی متفاوت مثلاً ۴۰ کیلوهرتز و ۳۹.۵ کیلوهرتز با هم تداخل پیدا می‌کنند، آن‌ها یک موج صوتی جدید با فرکانسی برابر با تفاضل آن دو فرکانس ایجاد می‌کنند. در این مثال، فرکانس جدید ۰.۵ کیلوهرتز (۵۰۰ هرتز) است که کاملاً در محدوده شنوایی انسان قرار دارد.

صدا تنها در نقطه‌ای که پرتوها با هم تلاقی می‌کنند، شنیده می‌شود. در خارج از آن نقطه، امواج اولتراسوند همچنان بی‌صدا باقی می‌مانند.

این به این معنی است که می‌توانید صدا را به یک مکان یا شخص خاص منتقل کنید بدون اینکه دیگران را در حین حرکت صدا مزاحم کنید.

پیشرفت در کنترل صدا

توانایی ایجاد حفره‌های صوتی قابل شنیدن، کاربردهای بالقوه زیادی دارد. حفره‌های صوتی می‌توانند امکان ارائه صداهای شخصی‌شده در فضاهای عمومی را فراهم کنند.به‌عنوان مثال، موزه‌ها می‌توانند راهنمای صوتی مختلفی به بازدیدکنندگان ارائه دهند بدون نیاز به هدفون و کتابخانه‌ها می‌توانند به دانش‌آموزان اجازه دهند که با درس‌های صوتی مطالعه کنند بدون اینکه دیگران مزاحم شوند.

در یک خودرو، مسافران می‌توانند به موسیقی گوش دهند بدون اینکه راننده از شنیدن دستورالعمل‌ها منحرف شود. دفاتر کار و محیط‌های نظامی نیز می‌توانند از مناطق گفت‌وگوی محلی برای مکالمات محرمانه بهره‌مند شوند. حفره‌های صوتی قابل شنیدن  می‌توانند برای حذف نویز در مناطق مشخص تطبیق داده شوند و مناطق آرامی ایجاد کنند تا تمرکز در محیط‌های کاری را بهبود دهند یا آلودگی صوتی در شهرها را کاهش دهند.

با وجود این چالش‌ها، حفره‌های صوتی تغییرات اساسی در کنترل صدا ایجاد می‌کنند. با بازتعریف نحوه تعامل صدا با فضا، امکانات جدیدی برای تجربه‌های صوتی جذاب، کارآمد و شخصی‌شده ایجاد می‌شود.

انتهای پیام