Νέα τεχνολογία ήχου θα σας επιτρέψει να ακούτε ιδιωτικά χωρίς ακουστικά

Ο έλεγχος του ήχου αποτελεί εδώ και καιρό βασικό στοιχείο της επιστημονικής φαντασίας και της φανταστικής λογοτεχνίας. Στο Dune, ο «κώνος σιωπής» επιτρέπει στους χαρακτήρες να συνομιλούν ιδιωτικά, ακόμη και σε ανοικτούς χώρους. Στο Blade Runner 2049, τα ανατριχιαστικά διαφημιστικά πάνελ ψιθυρίζουν μηνύματα μόνο στα αυτιά των περαστικών.

Στον πραγματικό κόσμο, ιδιομορφίες της αρχιτεκτονικής —είτε τυχαίες είτε εσκεμμένες— μπορούν να κατευθύνουν τον ήχο. Στην Αίθουσα των Αγαλμάτων του Καπιτωλίου των ΗΠΑ, για παράδειγμα, ένας ψίθυρος μπορεί να ταξιδέψει σιωπηλά από τη μια πλευρά του χώρου στην άλλη. Τα ηχητικά κύματα αλληλεπιδρούν με καμπύλες επιφάνειες και εστιάζουν τον ήχο σε συγκεκριμένα σημεία.

Σήμερα, οι επιστήμονες προσπαθούν να ελέγξουν τον ήχο με ακρίβεια – ίσως κάποια μέρα να ζούμε σε έναν κόσμο χωρίς ακουστικά, όπου ο ήχος κατευθύνεται απευθείας στα αυτιά μας. Όμως, η κατεύθυνση των ηχητικών κυμάτων είναι δύσκολη υπόθεση. Οι συχνότητες που ακούει ο άνθρωπος, από 20 έως 20.000 Hz, τείνουν να διαχέονται πιο εύκολα από τα υπερηχητικά κύματα υψηλότερης συχνότητας – γι’ αυτό και μπορούμε να κρυφακούσουμε συνομιλίες.

Έλεγχος ήχου με λέιζερ και υπερήχους

Το 2019, ερευνητές κατεύθυναν ήχο χρησιμοποιώντας λέιζερ που μετατρέπουν το φως σε ήχο όταν απορροφάται από υδρατμούς στην ατμόσφαιρα. Όταν η ακτίνα λέιζερ ήταν στατική, ο ήχος γινόταν αντιληπτός σε όλο της το μήκος, χωρίς σαφή εντοπισμό. Η χρήση περιστρεφόμενου καθρέφτη αύξησε την ακρίβεια, αλλά δεν μπορούσε να μεταδώσει λεπτομερή ήχο.

Μια άλλη προσέγγιση βασίζεται σε υπερηχητικά κύματα. Αν και αυτά είναι μη ακουστά, μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την εστίαση ήχου χάρη σε ένα φαινόμενο που ονομάζεται μη γραμμική αλληλεπίδραση. Όταν δύο υπερηχητικά κύματα συναντώνται, «προστίθενται» για να δημιουργήσουν ένα υψηλότερης συχνότητας κύμα. Επίσης, «αφαιρούνται» μεταξύ τους, δημιουργώντας ένα χαμηλότερης συχνότητας κύμα — που μπορεί να εμπίπτει στην ακουστή περιοχή του ανθρώπου.

Αυτό συμβαίνει όταν ρίχνουμε νερό σε καυτό λάδι: μικρές εκρήξεις ατμού παράγουν υπερηχητικά κύματα, τα οποία αναμειγνύονται στον αέρα και δημιουργούν το γνώριμο τσιτσίρισμα.

Κατά τον 20ό αιώνα, ο αμερικανικός στρατός εκμεταλλεύτηκε αυτό το φαινόμενο για να αναπτύξει ηχεία που κατευθύνουν τον ήχο σε συγκεκριμένη διαδρομή. Τελικά, εταιρείες όπως η Holosonics εμπορευματοποίησαν τα κατευθυνόμενα ηχεία. Όμως, όπως και με το λέιζερ, ο ήχος μπορεί να ακουστεί σε όλη τη διαδρομή της δέσμης και δεν είναι πλήρως ιδιωτικός.

Πρόσφατα όμως, ερευνητές ανέπτυξαν ιδιωτικούς “ακουστικούς θύλακες”.

«Είναι σαν να φοράς ένα αόρατο ακουστικό», λέει ο Γιούν Τζινγκ, ερευνητής ακουστικής στο Πολιτειακό Πανεπιστήμιο της Πενσυλβάνια. Αν σταθείς στο σωστό σημείο, ακούς μια φωνή ή μουσική — ενώ κάποιος δίπλα σου δεν ακούει απολύτως τίποτα. Η ομάδα του Τζινγκ δημοσίευσε τη σχετική έρευνα τον Μάρτιο στα Proceedings of the National Academy of Sciences.

Το επίτευγμα αυτό βασίζεται σε ακουστικές μετα-επιφάνειες (metasurfaces): υλικά σχεδιασμένα με μικροσκοπικές επαναλαμβανόμενες δομές, οι οποίες μπορούν να ελέγχουν τον ήχο με τρόπους που τα φυσικά υλικά δεν μπορούν. «Μια μετα-επιφάνεια είναι σαν φακός, αλλά πιο λεπτή από το μήκος κύματος των ηχητικών κυμάτων που χειρίζεται», εξηγεί ο μηχανολόγος Μάικλ Χάμπερμαν από το Πανεπιστήμιο του Τέξας στο Όστιν. Όπως οι φακοί για το φως, έτσι και οι μετα-επιφάνειες μπορούν να κάμπτουν, να διαμορφώνουν και να κατευθύνουν τον ήχο αλλάζοντας το σχήμα του κύματος.

Η ομάδα του Τζινγκ κατασκεύασε 3D εκτυπωμένα ακουστικά πάνελ με ζιγκ-ζαγκ αεραγωγούς. Ρυθμίζοντας το μήκος κάθε καναλιού, μπόρεσαν να κατευθύνουν υπερηχητικά κύματα σε καμπύλες διαδρομές. Στη συνέχεια, κάλυψαν δύο ηχεία με λεπτά φύλλα αυτής της μετα-επιφάνειας, ώστε τα υπερηχητικά κύματα να λυγίζουν και να συγκλίνουν μεταξύ τους στον αέρα. Στο σημείο σύγκλισης, η μη γραμμική αλληλεπίδραση των κυμάτων τα μετέτρεψε σε ακουστό ήχο — ο οποίος ακουγόταν μόνο σε αυτό το σημείο.

«Η ποιότητα του ήχου δεν είναι ακόμη άριστη — χρησιμοποιήσαμε μετατροπέα αξίας μόλις 4 δολαρίων», παραδέχεται ο Τζινγκ. «Αλλά πρόκειται απλώς για μια επίδειξη δυνατότητας. Και λειτουργεί.»

Αυτή η τεχνολογία δεν μπορεί ακόμη να δημιουργήσει έναν «κώνο σιωπής» όπως στο Dune, αλλά οι ερευνητές οραματίζονται ένα μέλλον όπου οι ιδιωτικές συνομιλίες θα είναι εφικτές σε ανοικτούς χώρους — χωρίς ακουστικά, χωρίς καλώδια.

Βιβλιοθήκες, γραφεία και άλλοι δημόσιοι χώροι θα μπορούσαν να φιλοξενούν πολλαπλούς ακουστικούς θύλακες ταυτόχρονα, επιτρέποντας σε πολλούς ανθρώπους να απολαμβάνουν ξεχωριστά και ιδιωτικά ηχητικά ρεύματα στον ίδιο φυσικό χώρο.