The Conversation 係一個非牟利嘅媒體網絡,成立於2011年,旨在提供由學者撰寫、經專業記者編輯嘅新聞分析同評論。 佢哋嘅文章涵蓋政治、社會、健康、科學等多個領域,並以創用CC授權方式發佈,方便其他媒體轉載。由於內容主要由相關領域嘅學者撰寫,經專業編輯審核,具備一定嘅學術嚴謹性同可信度。
Researchers created sound that can bend itself through space, reaching only your ear in a crowd
https://theconversation.com/researchers-created-sound-that-can-bend-itself-through-space-reaching-only-your-ear-in-a-crowd-252266
ChatGPT 翻譯:
如果你能不戴耳機、也不打擾周遭的人,就能聽音樂或 podcast 呢?或者在公共場合進行私密對話而不被他人聽見?
我們最新發表的研究提出了一種能夠創造「可聽聲音飛地(audible enclaves)」的技術——也就是隔絕於周遭環境、局部存在的聲音區域。換句話說,我們開發出了一種可以精確控制聲音出現位置的技術。
讓聲音只在特定地點變得可聽,有可能徹底改變娛樂、溝通方式與空間音訊體驗。
聲音是什麼?
聲音是一種透過空氣傳遞的振動波。當物體來回移動,會壓縮與釋放空氣分子,產生聲波。
這些振動的頻率決定了聲音的音高。頻率越低,聲音越低沉(像是低音鼓);頻率越高,聲音越尖銳(像是口哨聲)。
聲音是由以連續波形式運動的粒子組成的。
要控制聲音的傳播方向非常困難,因為有一個叫做繞射(diffraction)的現象——聲波在傳播時會自然擴散。這種效應在低頻聲音中尤其明顯,因為波長較長,使得很難將聲音限制在某個區域內。
有些技術像是「參數陣列喇叭(parametric array loudspeakers)」能夠將聲音聚焦並朝某個方向發射。但即便如此,這種聲音還是會在整個傳播路徑中被聽到。
可聽聲音飛地的原理
我們發現了一種可以只讓特定聽眾聽到聲音的新方式:利用會自我彎曲的超聲波束和一種稱為非線性聲學(nonlinear acoustics)的概念。
超聲波指的是頻率高於人類可聽範圍(20 kHz 以上)的聲波。這些波與普通聲波一樣會在空氣中傳播,但人耳聽不見。超聲波可以穿透多種材料,並以獨特方式與物體互動,因此常被用於醫療影像與工業應用。
在我們的研究中,我們將超聲波用作可聽聲音的載體。它可以「靜悄悄地」穿越空間,只在我們希望的地點轉換成聲音。那我們怎麼做到的?
一般來說,聲波是線性相加的,也就是說它們只是單純地疊加成更大的波。但當聲波強度夠高,就會產生非線性交互,從而生成原本不存在的新頻率。
這正是我們技術的關鍵:我們使用兩條頻率不同的超聲波束,它們本身是完全靜音的。但當它們在空間中交會時,非線性效應會產生一個新聲波,且這個聲波在人耳可聽範圍內,只在交點處可被聽見。
聲音如何「彎曲」?
我們設計的超聲波束可以自行彎曲。通常聲波會沿直線行進,除非被阻擋或反射。但透過使用聲學超表面(acoustic metasurfaces)——一種能夠操控聲波的特殊材料——我們可以像光學透鏡彎曲光線一樣,讓聲音彎曲前進。
藉由精準地控制超聲波的相位,我們可以創造出彎曲的傳播路徑,繞過障礙物,讓聲波在特定地點匯合。
這裡的關鍵物理現象叫作差頻生成(difference frequency generation)。例如,當兩條超聲波的頻率分別是 40 kHz 與 39.5 kHz,交會時會產生 0.5 kHz(即 500 Hz)的聲波,這是人耳能聽到的頻率。聲音只會在交會點出現,其他地方依然完全靜音。
換句話說,你可以把聲音「投送」到某個人或某個位置,而不會干擾到沿途的任何人。
推進聲音控制的未來應用
能夠創造這種局部聲音區域,未來的應用可能非常廣泛。
舉例來說,公共空間可以提供個人化聲音體驗——例如博物館可讓參觀者免戴耳機就聽到導覽內容,圖書館則能讓學生使用語音教材而不打擾他人。
在車上,不同乘客可以聽不同的音樂,而不影響駕駛接收導航指示。辦公室或軍事環境也能利用這技術,在不設隔間的空間中進行保密通話。甚至也可反向應用,消除特定區域的聲音,創造安靜區,提升工作效率或減少都市噪音污染。
當然,這技術暫時還無法馬上商品化,因為還有一些挑戰:
聲音品質可能受非線性失真影響;
系統需要高強度超聲波來產生聽得見的聲音,能源效率仍需改善。
儘管仍有技術門檻,聲音飛地代表了一種聲音控制的新範式。它重新定義了聲音與空間的互動,開啟了沉浸式、節能、個人化聽覺體驗的新可能。