У променях звуку: Чутність виборча

В одному із залів Музею науки в Бостоні демонструється відеокліп Summertime з опери Гершвіна «Порги і Бесс». У залі стоїть повна тиша, але троє слухачів перед екраном не користуються навушниками. Вони знаходяться в зоні дії трьох спрямованих випромінювачів Audio Spotlight, тому перший чує лише трубу, другий - скрипку, а третій - вокаліста. Інші відвідувачі не чують нічого.

Ідея створити випромінювач спрямованого звуку має давню історію. Ще наприкінці XIX століття знаменитий своїми надзвичайно наочними експериментами американський фізик Роберт Вуд разом зі своїм приятелем Портером сконструював майже триметровий картонний мегафон діаметром понад півметра. за словами Вільяма Сібрука, біографа Вуда, з його допомогою можна було передавати голос на дуже велику відстань - робити несподівані зауваження людям, що стоять за два-три квартали. Сидячи в кімнаті Вуда на верхньому поверсі будинку на вулиці Мак-Куллоха, вони чекали на відповідну жертву. Людині, що йде по порожній вулиці в кінці кварталу, говорили: «Прошу вибачення, ви щось упустили». Той зупинявся, озирався назад, потім під ноги і, постоявши хвилину, йшов далі. Якось пожартували над полісменом, люб'язним з дівчиною, повідомивши йому ніжним голосом, що «у всіх поліцейських величезні ноги».

Невблаганна дифракція

Більшість сучасних звукових випромінювачів мають широку діаграму спрямованості. І зробити її вже надзвичайно важко - фізика невблаганна. Звук - це хвиля, і кут «розпливання» пучка визначається дифракцією. Щоб «сфокусувати» звук у вузький пучок, розмір випромінювача повинен перевищувати довжину хвилі. Це одна з причин, через яку сабвуфер чути в усьому будинку, тоді як високочастотними ефектами можна насолодитися, лише сидячи безпосередньо перед колонками.

Довжина звукових хвиль чутного діапазону може досягати декількох метрів, що істотно перевищує розміри традиційних динаміків, тому звук звичних нам гучномовців поширюється в усі боки. Погодьтеся: навряд чи має сенс конструювати колонку розміром з будинок для того, щоб «цілитися» в конкретних слухачів. Інший спосіб створення вузькоспрямованого пучка звукових хвиль (при цілком розумних розмірах випромінювачів) - зменшення довжини хвилі до сантиметрів і міліметрів. але є одна проблема: почути такий звук людина не зможе.

Нащадки сонарів

Ультразвук із сантиметровими і міліметровими хвилями знайшов широке застосування в акустиці з 1940-х років. Сонари (ультразвукові гідролокатори) були придумані, щоб виявляти субмарини в товщі води. у 1960-х дослідники помітили, що через нелінійні ефекти у воді з'являються нижчі, ніж випромінювані, частоти. Це призвело до розробки нової математичної бази і спрямованих і широкосмугових сонарів, так званих параметричних акустичних антенних решіток.

У 1975 році професор Техаського університету Девід Блексток і його студентка Мері Беннетт опублікували в журналі Американського товариства акустиків (JASA) статтю про те, що їм вдалося отримати чутні частоти з ультразвуку в повітрі. Наступні 20 років інженери Matsushita, Denon і Ricoh намагалися отримати з цього ефекту практичну користь. При поширенні ультразвуку в повітрі звук перетворювався на чутний, але коефіцієнт гармонійних спотворень перевищував 50%, тому комерційні зразки так і не з'явилися.

У 1990-х цим питанням зайнявся студент Північно-Західного університету США Джозеф Помпеї. Традиційні методи відтворення звуку не влаштовували його ще з тих часів, коли він був наймолодшим інженером компанії Bose (тоді йому було 16 років!), і він зацікавився перетворенням ультразвукових частот на чутні. Продовживши освіту в знаменитому Массачусетському технологічному інституті (MIT), Помпеї провів серйозні дослідження в галузі нелінійної акустики, розробив теорію і, попутно захистивши дисертацію, зміг 1997-го сконструювати перше практично застосоване вузькоспрямоване джерело звуку.

Звукова революція

Джозеф Помпеї - втілення «американської мрії». Отримавши патент, він заснував компанію Holosonic Research Labs, вклавши в неї дві тисячі доларів. У свої 32 роки доктор наук Помпеї перебуває на порозі появи багатомільярдного ринку революційних звукових систем.

Розробка Holosonics під назвою Audio Spotlight являє собою набір невеликих ультразвукових випромінювачів, об'єднаних на одній панелі. Довжина хвилі ультразвуку багато менше розмірів динаміка, тому хвилі випромінюються вузьким «стовпом». Якщо додати до Audio Spotlight вухо, ми не почуємо нічого - випромінюваний звук лежить в діапазоні від 40 до 80 кГц (середня людина сприймає лише частоти до 20 кГц). Але в міру поширення в повітрі (приблизно через півметра) за рахунок нелінійних ефектів відбувається поява «закладених» в ультразвукові імпульси чутних частот.

"Я використовую ультразвуковий сигнал складної форми, отриманий шляхом якоїсь подоби амплітудної модуляції нелінійно перетвореного аудіосигналу, - розповів" TechInsider "Джозеф Помпеї. - Головна частина процесу - алгоритми обробки і модуляції сигналу, які я розробив в MIT. Мені вдається відновити чутний звук Hi-Fi якості з динамічним діапазоном в 100 дБ і гармонічними спотвореннями, що не перевищують 1%. Ніхто в світі не зміг навіть близько підійти до таких показників ".

Вихідний аудіосигнал обробляється еквалайзером, а потім надходить на вхід нелінійного процесора, що вносить необхідні предискажения. Впізнати у вихідному сигналі вихідний звук практично неможливо. Цим сигналом модулюється ультразвук, посилюється і відтворюється за допомогою динаміків. А в міру поширення за рахунок нелінійності повітря ультразвук «спотворюється», відновлюючи форму вихідного аудіосигналу. "Звук генерується прямо в повітрі, а не самим динаміком, - говорить Помпеї. - Це подібно до того, як зробити «звукову» голограму, яка і випромінює звук. Саме тому моя компанія називається Holosonic ".

Голоси в голові

Випромінюваний динаміками Audio Spotlight ультразвук утворює стовп діаметром близько метра. Перебуваючи всередині цього стовпа, людина чує високоякісний звук, але варто їй зробити крок у бік - і звук повністю зникає. Звук можна направляти подібно променю прожектора, адресуючи його персонально тому чи іншому слухачеві, він може відбиватися від стін, як промінь світла, зберігаючи при цьому свою вузьку спрямованість. При цьому відбиття звуку від поверхонь всередині стовпа (наприклад, від людей) майже не чути тим, хто знаходиться зовні. "Це як світло настільної лампи, - каже Помпеї. - Ви бачите, що вона увімкнена, але світло її не заважає, оскільки в очі потрапляє лише дуже мала його частина ".

Все це дозволяє домогтися майже неможливого - без всяких навушників і звукоізоляції направляти звук в потрібну точку з точністю до декількох сантиметрів. У результаті Holosonic Research Labs буквально завалена замовленнями - великі виставкові зали і музеї встановлюють Audio Spotlight перед експонатами (при цьому в залі зберігається тиша, а відвідувачі сусідніх стендів не заважають один одному), а торгові центри набувають Audio Spotlight як джерело локальної звукової реклами, що не підвищує загальний рівень шуму.

В офісних шоу-румах звуковими панелями оснащуються індивідуальні комп'ютерні термінали або демонстраційні екрани. У великих офісних комплексах Audio Spotlight може використовуватися також як ефективний засіб комунікації: замість того щоб звертатися до конкретного співробітника з гучного зв'язку, афішуючи адресну інформацію і відволікаючи оточуючих, можна звернутися до нього персонально.

Кілька років тому компанія DaimlerChrysler представила концепт-кар, в якому випромінювачі Audio Spotlight розташовані над усіма пасажирськими місцями. Кожен, хто сидить у машині, може слухати свій диск або радіостанцію, не заважаючи іншим. Це диво поки не пішло в серію через високу вартість випромінювачів ($1000 ‑ 2000 за кожну панель), але концепт-кар General Motors Juno, оснащений Audio Spotlight, можна побачити у виставковому центрі Walt Disney's Epcot Innoventions, присвяченому технологіям світу майбутнього. А авіакомпанія British Airways розглядає установку випромінювачів Audio Spotlight над кожним пасажирським місцем як серйозну альтернативу навушникам.

Так що якщо раптом ви почуєте голоси, які не чує ніхто інший, - не лякайтеся, ви не збожеволіли. Просто ви потрапили в зону дії Audio Spotlight.