Brug af akustik til at skjule og simulere objekter

Når man lytter til musik, vi hører ikke bare noterne produceret af instrumenterne, vi er også nedsænket i dens ekkoer fra vores omgivelser. Lydbølger hopper tilbage fra væggene og genstande omkring os, danner en karakteristisk lydeffekt - et specifikt akustisk felt. Dette forklarer, hvorfor det samme stykke musik lyder anderledes, når det spilles i en gammel kirke eller en moderne betonbygning.

Arkitekter har længe udnyttet denne kendsgerning, når de bygger, sige, koncertsale. Imidlertid, princippet kan også overføres til andre applikationer:genstande skjult under jorden kan visualiseres ved at måle, hvordan lydbølger fra en kendt kilde reflekteres.

Aktiv og passiv manipulation

Nogle forskere ønsker at gå et skridt videre og systematisk manipulere det akustiske felt for at opnå en effekt, der ikke burde eksistere i sig selv, i betragtning af den virkelige situation. For eksempel, de forsøger at skabe en illusorisk lydoplevelse, der lurer lytteren til at tro, at de befinder sig i en betonbygning eller en gammel kirke. Alternativt kan genstande kan gøres usynlige ved at manipulere det akustiske felt på en sådan måde, at lytteren ikke længere opfatter dem.

Som regel, den ønskede illusion er afhængig af at bruge passive metoder, der involverer strukturering af overfladerne ved hjælp af det, der kaldes metamaterialer. En måde at skjule et objekt akustisk er at belægge dets overflade og forhindre det i at reflektere lydbølger. Imidlertid, denne tilgang er ufleksibel og fungerer normalt kun inden for et begrænset frekvensområde, hvilket gør det uegnet til mange applikationer.

Aktive metoder søger at opnå illusionen ved at overlejre endnu et lag lydbølger. Med andre ord, ved at tilføje et andet signal til det første akustiske felt. Imidlertid, indtil nu har anvendelsesområdet for denne metode også været begrænset, da det kun virker, hvis det indledende felt kan forudsiges med en vis sikkerhed.

Real-time illusion

Nu er gruppen under ledelse af Johan Robertsson, Professor i anvendt geofysik ved ETH Zürich, har arbejdet sammen med forskere fra University of Edinburgh for at udvikle et nyt koncept, der væsentligt forbedrer den aktive illusion. Anført af Theodor Becker, en postdoc i Robertssons gruppe, og Dirk-Jan van Manen, seniorforsker, der var med til at designe eksperimenterne, forskerne har formået at udvide det oprindelige felt i realtid, som de rapporterer i det seneste nummer af tidsskriftet Videnskab fremskridt . Som resultat, de kan få objekter til at forsvinde, og de kan efterligne ikke-eksisterende.

For at opnå de særlige akustiske effekter, forskerne installerede en stor testfacilitet til projektet i Center for Immersive Wave Experimentation i Schweiz Innovation Park Zurich i Dübendorf. Specifikt, denne facilitet giver dem mulighed for at maskere eksistensen af ​​et objekt, der måler cirka 12 centimeter eller simulere et imaginært objekt af samme størrelse.

Målobjektet er omsluttet af en ydre ring af mikrofoner som kontrolsensorer og en indre ring af højttalere som kontrolkilder. Styresensorerne registrerer, hvilke eksterne akustiske signaler der når objektet fra det oprindelige felt. Baseret på disse målinger, en computer beregner derefter, hvilke sekundære lyde kontrolkilderne skal producere for at opnå den ønskede forstørrelse af det indledende felt.

Sofistikeret teknologi

For at maskere objektet, kontrolkilderne udsender et signal, der fuldstændigt udsletter de lydbølger, der reflekteres fra objektet. Derimod, at simulere et objekt (også kendt som holografi), kontrolkilderne øger det indledende akustiske felt, som om lydbølger sprang af et objekt i midten af ​​de to ringe.

For at denne udvidelse skal fungere, dataene målt af kontrolsensorerne skal øjeblikkeligt omdannes til instruktioner for styrekilderne. For at styre systemet, forskerne bruger derfor feltprogrammerbare gate-arrays (FPGA'er) med en ekstremt kort responstid.

"Vores facilitet giver os mulighed for at manipulere det akustiske felt over et frekvensområde på mere end tre og en halv oktaver, "Siger Robertsson. Den maksimale hyppighed for tilsløring er 8, 700 Hz og 5, 900 Hz til simulering. Til dato, forskerne har været i stand til at manipulere det akustiske felt på en overflade i to dimensioner. Som et næste trin, de ønsker at øge processen til tre dimensioner og udvide dets funktionsområde. Systemet øger i øjeblikket luftbårne lydbølger. Imidlertid, Robertsson forklarer, den nye proces kunne også producere akustiske illusioner under vand. Han forestiller sig en lang række potentielle anvendelser inden for forskellige områder, såsom sensorteknologi, arkitektur og kommunikation, såvel som i uddannelsessektoren.

Den nye teknologi er også yderst relevant for de jordvidenskabelige områder. "I et laboratorium, vi bruger ultralydsbølger med en frekvens på over 100 kHz til at bestemme de akustiske egenskaber af mineraler. I modsætning, i marken, vi studerer underjordiske strukturer med seismiske bølger med en frekvens på mindre end 100 Hz, "Robertsson siger." Den nye proces vil sætte os i stand til at hjælpe med at bygge bro over denne 'døde zone'. "