サウンドのカスタマイズ：音場を制御するメタマテリアルの「レンズ」

映画館に行くとき、私たちが最初に注意することは写真です。 明るい色、傷のない鮮明な画像は、私たちが見ている映画を認識する上で非常に重要です。 しかし、音を忘れないでください。 その品質が不十分な場合、画像が何であれ、視聴体験が損なわれます。 画質はさらに注目されています。新しいスクリーン、3Dビデオ用のメガネ、カメラ、レンズなどが開発されています。 本日は、科学者グループがこの不正を修正することを決定した研究についてお話します。 彼らはすべての注意、時間、知性を音に捧げました。あるいは、光のように音で動作する新しいデバイスの開発に専念しました。 望遠鏡、拡大鏡、コリメータ、さらにはバリフォーカルレンズ、そしてこれらすべてに接頭辞「音響」が付いています。 科学者は音波をどのように正確に制御できたのか、彼らのデバイスはどのようなものか、それを作成するのはどれほど難しいのか、テスト中にどのような結果が示されたのか？ これについては、研究グループの報告書から学びます。 行こう

研究の基礎

科学者は、音場の形成と管理が、音の再生に関連する最新の技術の最も重要な要素であることに注目しています。 原則として、これは、フェーズドアレイを使用して音源ジェネレータの強度または位相を制御することで実現されます。 この方法を使用すると、リアルタイムでサウンドを制御できますが、この種のデバイスはかさばって高価です。



同様に、光を制御したい場合、光には別のアプローチが必要です。 知覚は、関連するパーツ（フィルター、レンズなど）によって改善できます。 これらの要素のパラメーターを変更すると、独自のプロパティを持つ特定の種類のデバイス（オートフォーカス付きのカメラ、LCDディスプレイ、VRヘッドセットなど）を取得できます。 このような音による操作はまだ不可能です。 最高のサウンドが必要な場合、誇張して話す、大きくて強力なスピーカーが必要です。





画像番号1： （a） -以前の開発の比較（左）とこの作業で説明されているもの（右）。 （b） -標準列から方向性列への変換。 （c） -集束音響レンズの設置。



メタマテリアルはこの問題の解決に役立ちます。 このような材料の特徴は、その特性が実際に材料の特性に依存しないことです。 それらがどのように正確に作られるか、つまり、どのような構造、アーキテクチャ、トポロジ、フォームなどを持っているかがはるかに重要です。 残念ながら、音を扱う作品でのメタマテリアルの使用は、いくつかの困難のためにまだあまり一般的ではありません。波長に対応しない厚さ。 デバイスの静的で制限された周波数範囲。



科学者にとって、これらの制限は彼らが大胆に受け入れる挑戦です。 彼らは、レンズではなく、光ではなく音のためのメタマテリアルを設計するための新しい方法を開発しました。 同時に、上記の制限を回避することができました。 より詳細に分析する方法。

メタマテリアルデザイン

研究者は、メタマテリアルを作成するプロセスの4つの主要なステップを特定します。

• 機能の選択（音で何をすべきか）;
• この情報を、メタマテリアルの表面（以下、メタ表面）の同様の位相/強度分布（ 2a ）に変換します。
• ワーキングセルの選択（ 2a ）;
• 空間および振幅-周波数特性に関する制限を考慮したメタサーフェスの作成（ 2b ）。

画像番号2： （a） -2つの位相プロファイルの比較。 （b） -ベースが10.4 mmになるようにスケーリングされたセル＃15のCOMSOL伝送シミュレーション。 （c） -タイプBのセルの動作原理



メタサーフェスの将来の分布が、デバイスを通過する音圧の分布がどのように見えるかを決定することを理解する必要があります。 したがって、メタサーフェスのジオメトリと強度分布は重要な役割を果たします。



科学者は、明らかに、彼らが自分の創造から何を行っているかを知っています-レンズのように振る舞いますが、音のために。 この場合、レンズは、焦点距離と物理的サイズ（メタサーフェスの場合、レンズが占める細胞の数）の2つのパラメーターによって特徴付けられます。



目的の焦点距離（ f ）がレンズ軸（ˆz）に沿って設定されると、メタサーフェス上の位相分布φ（x、y）（z = 0平面にあると想定される）は、セルからのすべての寄与がフェーズオン（0、0、 f ）に。 この特定の作業のために、科学者は放物線プロファイルを使用しました。



φ（ r ）=φ0-A ² （x ² + y ² ）



ここで、φ（x、y）はセルに関連するローカル位相、Aは位相プロファイルのローカル曲率に関連する定数、λ0は計算された波長、φ0は任意の定数です。



光学系の放物線状の位相プロファイルにより、よりコンパクトなレンズを得ることができるため、設計されたメタ表面も小さくなります。 さらに、このようなプロファイルは、パラメータAをレンズの「曲率」と結び付けます。つまり、Aが大きいほど、より多くのフォーカシングレンズが取得されます（ 2a ）。



φ（x、y）を確立した後、メタサーフェス上のどのセルが関与するかを選択する必要があります。 また、周波数が低いほど、セルが大きくなるという事実を考慮する必要があります。



この研究では、16セルのメタサーフェスモデルを使用しました。サイズが〜4.3 x 4.3 x 8.6 mmの直方体は、 f ₀ ± Δf _2dB = 40±1 kHzで最大伝送（入力音の〜97％）に設計されています。 このようなモデルを異なる周波数（ f ）で適用する最も簡単な方法は、スケーリングすることです：厚さが新しい波長λ= c ₀ / f（c 0〜343 m / sは空気中の音速）に等しくなるまで各立方体のサイズを変更します。



新しい周波数では、各セルは0〜2πの範囲で同じ位相遅延を適用しますが、すべてのセルはf ₀と同じスループットを持ち_ます 。



科学者は、f _0の下で設計された直方体が異なる周波数で同じ透過率を持っていることに注意しています（ 2b ）。 これらの周波数は次のように定義されます。



f _j = f ₀ -j⋅c ₀ / L _eff



ここで、j = 0、1、2 ... Nは整数、L _effは特定のセルの計算されたパラメーター、N = round（L _eff /λ0）は、L _effに波長が含まれる場合の（整数）回の回数です。



これから、周波数f _j （ 2 ）のいずれかでセルを操作することが可能であり、f _0にある送信に匹敵する送信をサポートすることができ_ます 。



テスト中、周波数f ₀ = 5,600 Hzが使用されました。 この周波数は6 cmの波長に対応し、技術的な制限のためにのみ選択されました（3Dプリンターは大きなセルを印刷できませんでした）。 しかし、科学者によると、彼らのモデルのスケーラビリティを考えると、テスト中のこの制限は結論に影響しません。



2種類のレンズが使用されました。

• タイプAは 、セルのスケーリングによって得られます。そのため、セルの最初の共振（j = 0）は5.6 kHzで、厚さはλ0（つまり60 mm）に相当します。 このタイプの各レンズは8x8セルの配列で構成され、合計サイズは240x240x60 mm（ 1a 、左）です。 レンズの帯域幅は_{2⋅Δf2dB〜0です。05⋅f 0} 。
• タイプBは 、2番目の共振が5.600 Hzになるようにセルをスケーリングすることによって取得されます。 このタイプの各レンズは10x10セルの配列で構成され、合計サイズは104x104 mmで、厚さは20.8 mmです（ 1a 、右）。 タイプBのスループットも非常に大きくなります。 計算により、 _{2⋅Δf2dB〜0.28⋅f 0で}あることが示されました。 タイプBレンズの主な欠点は次のとおりです。16セルモデルは位相空間の一部のみをカバーするため、固定サイズのレンズでは限られた数の焦点距離しか実現できません。

上記のグラフでは、シミュレーション結果を見ることができます。10x10レンズを使用した場合、最大焦点距離は57 mmになります。 つまり、焦点距離を長くするには、レンズを大きくする必要があります。



メタサーフェスの設計における主要なポイントが明らかになりました。 次に、これらすべてがプロトタイプの形でどのように実行されたかを説明します。

音響コリメータ

上記の成果により、研究者は音響コリメータを作成することができました。音響コリメータは、音源の幾何学的な発散を補正するシステムであり、その結果、音は出力でビームの形で空間的に表現されます。 簡単に言えば、音はどこにでも広がりませんが、集束ビームを形成します。







上の図は、メタマテリアルなし（青いフィールド）とメタマテリアルあり（赤いフィールド）の音の伝播方法を示しています。



光学では、コリメータは長距離にわたって光を投射するためのビーコンとスポットライトの生成の両方で使用されます。 そのようなデバイスでは、レンズは光源からデバイスの焦点距離に等しい距離に配置されているため、入射波は平行ビームになります。



音響コリメータの場合、タイプAメタマテリアルレンズは、音源から150±2 mmの距離に配置されました。





画像3：音響コリメータの性能と設置図。



上の画像のグラフ3aは、音源からさまざまな距離で測定された音圧が、レンズを使用しない場合よりもレンズを使用した場合の方がはるかに大きいことを示しています。 4.24 mの距離で測定された角放射は、レンズによるスピーカー（音源）の発散角が60°±1°から27°±1°（3b）に減少したことを示しています。



科学者は、メタマテリアルレンズが実験で使用される安価なダイナミクスの音質を変えたことにも注目しています。 同時に、戸外でのテストでは、音の知覚距離の大幅な増加が示されました。音響コリメータなし-10 m、コリメータあり-40 m。



科学者は、スピーカーと音響レンズ（コリメータ）の間の距離をより正確に調整することにより、発散角をさらに小さくできることを示唆しています。



音響コリメータはどのように使用できますか？ このデバイスの開発者には、いくつかのオプションがあります。

• 音のパーソナライズ-映画の特定の領域にのみ音を投影する（ 3s ）; 空間内の位置に応じて異なる音響信号（VRヘッドセット）; さまざまなサウンドゾーンの作成（たとえば、3人がソファに座って、他の人を邪魔することなく全員が自分の声を聞いている）。
• スピーカーやパフォーマンスの向上-コンサートや映画館では、すべての人がすべてを聞くことができるように常に音を最適化しようとしますが、音が「劣る」聴衆の一部がいます。 3D画像は、異なる方向に対称的に向けられた2人のスピーカーを示しています。 この位置では、大まかに言って、音が悪くなるギャップがあります。 このギャップに設置された音響コリメータを使用すると、これを修正できます。
• 音響センサーの空間感度の改善。

音響拡大鏡

画像番号4：音響拡大鏡の設置のスキームと写真。



私たちは皆、探偵の画像の固有の属性-虫眼鏡または虫眼鏡に精通しています。 虫眼鏡を通して何かを見ると、このオブジェクトが拡大して見えます。 音響拡大鏡を使用する場合、音についても同じことが起こります。 テストのセットアップ（ 4a ）で、科学者はメタマテリアル（拡大鏡）をマイクとスピーカーの間に配置しました。 拡大鏡の位置は、マイクが受信する最大信号に達するまで調整されました。 これにより、弱い音が増幅されます。



音響拡大鏡の範囲も1つのオプションに限定されません。

• ソースの位置の変更-例が図4bに示されています。男性がスピーカーを内蔵したテレビの前のソファに座っています。 音響拡大鏡を使用すると、スピーカーが正面にあるという感覚が得られます。
• 触覚デバイスの機能強化（空中の触感、以下のビデオ）。 このような技術は音に直接関係していますが、「仮想」オブジェクトとそのジェネレーター間の最大距離に制限があります。 音響拡大鏡はこの距離を延ばすことができます。

触覚技術は、音を通して触覚を生み出します。

• 音の受信の改善-音響レンズはマイクの空間特性を変えることができます。 図4dは、他の多くの物体に囲まれた特定のオブジェクトに焦点を合わせるための音響拡大鏡の使用を示しています。 簡単に言えば、このような拡大鏡を使用すると、必要なものだけを聞くことができ、関連するノイズや背景ノイズがすべてなくなります。
• さまざまなソースからのサウンドレベリング。 大きな部屋で二人と話していると想像してください。 1人の対談者が近くに立っており、2人目が遠くにいます。 音響拡大鏡を使用すると、両方の対談者が同じ距離で立っているかのように、両方の対談者を同じように聞くことができます（画像4eの視覚的な例）。

音響望遠鏡

望遠鏡は非常に遠いものを研究するために必要です。 ありふれた、誇張された声明ですが、それから真実性を失うことはありません。 望遠鏡は、互いに一定の距離にある2つのレンズにより機能します。 音響望遠鏡も同様の原理を使用しています。







上記は音響望遠鏡の設置の写真です：メタマテリアルからの2つのレンズ（1 mmの精度で距離を変更できる）とスピーカー。



望遠鏡の主な利点は、2つのレンズが使用されるため、1つのレンズの焦点距離の制限を回避できることです。また、レンズ間の距離を変更できるため、焦点距離を変更できます。





画像5：音響望遠鏡の設置と応用例。



実際には、音響望遠鏡を使用すると、長距離からの音を聞き取り、他の多くの音から分離することができます。 画像5bは、音響望遠鏡を使用すると、遠く離れた群衆の中にいる人の声を聞くことができることを示しています。 スパイ映画でも同様のことが観察できました。



この研究のニュアンスをさらに詳しく知りたい場合は、 このリンクまたはこちらで入手できる科学者のレポートを調べることを強くお勧めします。

エピローグ

上記を要約すると、研究者は、音を操作できるシンプルで効果的なデバイスを作成することができました。 サウンドを一点に集中させ、2つのソースからのサウンドレベルをイコライズし、ノイズを除去して特定のサウンドを分離し、サウンドを増幅します。これはすべて、換気プラグやウェーハを焼くためのフォームのようなメタマテリアルで作られたレンズを使用して行うことができます。



この研究は、物理的、化学的または生物学的な現象の性質を正確に理解することで、状況を制御し、状況に応じてその特性を変更できることを示しています。 これまでのところ、音響レンズの使用方法を正確に推測するだけです。 科学者自身はそこで止まるつもりはなく、彼らの発案を改善するために研究を続けます。









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