使用声学来隐藏和模拟物体

学而时习

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导读 听音乐时,我们不仅会听到乐器发出的音符,还会沉浸在来自周围环境的回声中。声波从我们周围的墙壁和物体上反弹回来,形成一种特有的声音效
音频解说

听音乐时,我们不仅会听到乐器发出的音符,还会沉浸在来自周围环境的回声中。声波从我们周围的墙壁和物体上反弹回来,形成一种特有的声音效果——一种特定的声场。这就解释了为什么同一首音乐在古老的教堂或现代混凝土建筑中演奏时听起来不同。

建筑师在建造音乐厅时一直利用这一事实。但是,该原理也可以转移到其他应用中:可以通过测量来自已知源的声波的反射方式来可视化隐藏在地下的物体。

主动和被动操纵

考虑到现实生活中的情况,一些科学家想要更进一步,系统地操纵声场,以实现本身不应该存在的效果。例如,他们试图创造一种虚幻的音频体验,诱使听众相信他们在混凝土建筑或古老的教堂中。或者,可以通过以听者不再感知它们的方式操纵声场使对象不可见。

通常,所需的幻觉依赖于使用被动方法,这些方法涉及在所谓的超材料的帮助下构建表面。从声学上隐藏物体的一种方法是覆盖其表面并阻止其反射任何声波。然而,这种方法不灵活,通常只能在有限的频率范围内工作,因此不适用于许多应用。

主动方法试图通过叠加另一层声波来实现幻觉。换句话说,通过向初始声场添加第二个信号。然而,到目前为止,使用这种方法的范围也很有限,因为它只有在可以肯定地预测初始场的情况下才有效。

实时错觉

现在,由苏黎世联邦理工学院应用地球物理学教授 Johan Robertsson 领导的小组与爱丁堡大学的科学家合作开发了一种新概念,可显着改善活动错觉。在 Robertsson 小组的博士后 Theodor Becker 和参与设计实验的资深科学家 Dirk-Jan van Manen 的带领下,研究人员成功地实时增强了初始场,正如他们在最新一期的《科学进展》杂志。因此,它们可以使物体消失,也可以模仿不存在的物体。

为了实现特殊的声学效果,研究人员在位于杜本多夫的苏黎世瑞士创新园的沉浸式波实验中心为该项目安装了一个大型测试设备。具体来说,该设施允许他们掩盖大约 12 厘米的物体的存在或模拟相同大小的假想物体。

目标物体被包围在作为控制传感器的外环麦克风和作为控制源的扬声器内环中。控制传感器记录哪些外部声学信号从初始场到达物体。根据这些测量结果,计算机然后计算控制源必须产生哪些次要声音才能实现所需的初始场增强。

尖端技术

为了掩盖物体,控制源发出一个信号,完全消除从物体反射的声波。与此相反,以模拟对象(也称为全息),控制源增大初始声场仿佛声波被弹回的对象在所述两个环的中心。

为了使这种增强工作,控制传感器测量的数据必须立即转换为控制源的指令。为了控制系统,研究人员因此使用响应时间极短的现场可编程门阵列 (FPGA)。

“我们的设施允许我们在超过三个半八度的频率范围内操纵声场,”罗伯逊说。伪装的最大频率为 8,700 Hz,模拟的最大频率为 5,900 Hz。迄今为止,研究人员已经能够以二维方式操纵表面上的声场。作为下一步,他们希望将流程增加到三个维度并扩展其功能范围。该系统目前增强了空中声波。然而,罗伯逊解释说,新工艺也可能在水下产生声学幻觉。他设想了不同领域的大量潜在用途,例如传感器技术、建筑和通信,以及教育领域。

新技术也与地球科学高度相关。“在实验室中,我们使用频率超过 100 kHz 的超声波来确定矿物的声学特性。相比之下,在现场,我们使用频率低于 100 Hz 的地震波研究地下结构,”Robertsson 说. “新流程将使我们能够帮助弥合这个‘死区’。”

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