Новая акустическая призма разделяет звук как оптические призмы Split Light
Ученые из EPFL изобрели акустическую призму, которая разделяет различные частотные составляющие звука, подобные оптической призме.
В то время как капелька воды может естественным образом разделить свет на его составляющие частоты, акустическая призма полностью искусственна. Швейцарский Федеральный технологический институт в Лозанне AKA EPFL (École Polytechnique Fédérale de Lausanne) в Швейцарии разработал такую призму.
Акустическая призма - это инженерный метаматериал, состоящий из повторной компоновки небольших единиц. Устройство может использоваться для определения направления звука с использованием только одного микрофона.
Некоторые предыдущие события в акустике
За последние несколько лет в акустике появилось много интересных концепций и приложений. Некоторые из них получены путем распространения идей, используемых в электромагнетике, на акустику, таких как акустические суперлинзы, которые могут фокусировать ультразвуковые волны, подобные оптической линзе. Такие устройства обладают потенциальным применением в клинической картине высокого разрешения.
Другим примером применения электромагнетизма и акустики является акустический плащ. Плащ может скрывать объект от звуковых волн. С этой целью устройство меняет распространение и отражение звуковых волн и заставляет казаться, что плащ и любой объект под ним нет. Будущие применения акустического плаща включают уклонение от сонара и проектирование аудиторий или концертных залов.
Первый в мире 3D-акустический плащ был разработан два года назад в Университете Дьюка. Пирамидальный плащ состоит из нескольких пластиковых пластин с множеством отверстий, пробитых через них.
Первое в мире трехмерное клоакинг-устройство, разработанное в Университете Дьюка. Изображение предоставлено Университетом Дьюка
Это только одно из удивительных событий в акустике, которое когда-то казалось неосуществимым. До тех пор, пока эти технологии не будут использоваться в практических случаях, предстоит пройти долгий путь, но нынешние малогабаритные решения - это еще один шаг.
Акустическая призма EPFL
Исследователи из EPFL разработали акустическую призму, которая может отделять звуковую волну от ее составляющих частот, не прибегая к обычным аналоговым или цифровым методам обработки сигналов.
Акустическая призма изготовлена путем подключения 10 ячеек алюминиевого блока. На каждой из ячеек есть отверстие, называемое заглушкой. Мембрана разделяет две соседние единичные ячейки акустической призмы. Мембраны вводят зависящую от частоты задержку, когда звуковые волны проходят через структуру от одной элементарной ячейки к следующей.
Акустическая призма, элементарные ячейки и мембраны. Изображение предоставлено Акустическим обществом Америки
Акустическая призма, которая называется акустической антенной с негерметичной волной, может использоваться как в режимах приема, так и передачи.
Режим передачи акустической призмы
В случае режима передачи мы можем применить источник звука к одному концу акустической призмы, и устройство будет излучать различные частотные составляющие источника от разных заглушек призмы. Исследование показывает, что высокочастотные компоненты звука излучают из отверстий, которые ближе к источнику, тогда как низкочастотные компоненты выходят из отверстий, которые находятся дальше.
Это частотно-зависимое излучение звуковой волны обладает общей функциональностью, аналогичной характеристике оптической призмы, объясняющей название «акустическая призма».
Интересно, что, подобно оптической призме, угол излучения от штырей зависит от частоты каждого звукового компонента.
Простая схема антенны с протекающей волной. Изображение предоставлено Акустическим обществом Америки
Режим приема акустической призмы
Акустическая призма проявляет увлекательное явление при использовании в режиме приема. В этом режиме на одном конце призмы помещен микрофон, а источник, расположенный на расстоянии 4 м от него, используется для применения звуковой волны. Спектр сигнала, подбираемого микрофоном, имеет полосовой ответ, как показано на следующем рисунке.
Акустическая призма действует как полосовой фильтр в режиме приема. Изображение предоставлено Акустическим обществом Америки
На этом рисунке показаны как теоретические, так и результаты моделирования.
Поскольку частота источника изменяется, мощность, получаемая микрофоном, имеет пик на центральной частоте полосового фильтра. Однако существует большая разница между откликом акустической призмы и обычным аналоговым или цифровым полосовым фильтром.
Как показано на приведенном выше рисунке, центральная частота достигнутого полосового фильтра зависит от угла падающей звуковой волны. Поэтому, анализируя мощность, полученную микрофоном, мы можем определить местоположение источника звука.
Акустическая призма обладает потенциалом, чтобы оспаривать современные методы локализации источника звука, которые основаны на формировании луча нескольких датчиков.
Для получения дополнительной информации, пожалуйста, прочитайте эту недавно опубликованную статью «Журнала акустического общества Америки» по метаматериалам в области одномикрофонического пеленгования, в которой подробно описываются понятия акустической призмы.