تحولی در علم آکوستیک: انتقال صوت به یک فرد در میان جمعیت بدون هدفون!

دانشمندان در حال توسعه فناوری جدیدی هستند که می‌تواند تجربه شنیداری افراد را متحول کند. نام این فناوری جدید، “حوزه‌های شنیداری قابل‌تشخیص” است که در آن تنها فرد مورد نظر می‌تواند یک صدا را بشنود، بدون اینکه دیگران در فضای باز متوجه آن شوند! و جالب‌تر اینکه برای این کار نیازی به هدفون نیست. با دیجی رو همراه باشید.

این فناوری پیشگامانه که توسط گروهی از محققان دانشگاه ایالتی پنسیلوانیا توسعه یافته و نتایج آن در مجله Proceedings of the National Academy of Sciences منتشر شده، قادر است مناطقی از صدا را ایجاد کند که کاملاً از محیط اطراف جدا باشند. به کمک این سیستم، امکان ارسال صدا به یک نقطه خاص فراهم می‌شود، حتی اگر فرد مورد نظر در میان جمعیت باشد.

نکته قابل توجه در این فناوری، استفاده از امواج فراصوت (اولتراسونیک) است که در طول مسیر خود شنیده نمی‌شوند و حتی قابلیت تغییر مسیر برای دور زدن موانع را دارند! این امواج تنها زمانی که به مقصد نهایی خود می‌رسند، توسط گوش انسان قابل شنیدن می‌شوند. جیاکسین ژونگ (Jiaxin Zhong)، محقق حوزه آکوستیک در دانشگاه پنسیلوانیا و نویسنده اصلی این مطالعه، در بیانیه‌ای درباره این پژوهش توضیح داد:

در اصل، ما یک هدست مجازی ایجاد کرده‌ایم. فردی که در یک حوزه شنیداری قرار دارد، می‌تواند صدایی را بشنود که فقط برای او در نظر گرفته شده است، در حالی که محیط اطراف او در سکوت باقی می‌ماند.

ژونگ و یون جینگ (Yun Jing)، یکی از اساتید آکوستیک این دانشگاه، در مقاله‌ای که در نشریه The Conversation منتشر شده، اشاره کرده‌اند که امواج صوتی در هنگام حرکت دچار پراکندگی می‌شوند، به ویژه در فرکانس‌های پایین. همین امر باعث می‌شود که محصور کردن صدا و متمرکز کردن آن روی یک نقطه خاص دشوار باشد. برای حل این مشکل، محققان از دو پرتو امواج فراصوتی (مشابه آنچه در تصویربرداری پزشکی استفاده می‌شود) بهره گرفتند. این امواج در فرکانسی بسیار بالاتر از محدوده شنوایی انسان نوسان می‌کنند و در حقیقت، حامل امواج صوتی شنیدنی هستند. در نتیجه، تا زمانی که به مقصد نهایی خود نرسند، هیچ صدایی برای انسان تولید نمی‌کنند.

یون جینگ در این زمینه توضیح داد:

وقتی فردی دقیقاً در نقطه تعیین شده قرار بگیرد، می‌تواند صدا را بشنود، اما حتی کسی که فقط چند سانتی‌متر دورتر از او ایستاده است، هیچ چیزی نخواهد شنید.

یکی از چالش‌های مهم در پیاده‌سازی این فناوری، وجود موانعی در مسیر امواج صوتی است. اما محققان این مشکل را با یک نوآوری دیگر حل کرده‌اند: امواج فراصوتی که می‌توانند خم شوند! برای دستیابی به این قابلیت، از سطوح متامتریال آکوستیکی (Acoustic Metasurfaces) استفاده شده است که امکان تغییر مسیر امواج صوتی را با دقت بالا فراهم می‌کند. این فناوری مشابه عملکرد عدسی‌های نوری در خم کردن نور عمل می‌کند.

یکی دیگر از چالش‌های این فناوری، تبدیل امواج فراصوتی به امواج صوتی قابل شنیدن است. محققان این کار را با ارسال دو پرتو در فرکانس‌های کمی متفاوت انجام دادند. به عنوان مثال، یکی از امواج روی فرکانس 40,000 هرتز و دیگری روی 39,500 هرتز تنظیم شده است. هنگامی که این دو موج در نقطه‌ای به هم می‌رسند، تداخل آن‌ها منجر به ایجاد یک موج صوتی با فرکانسی برابر با تفاضل آن‌ها می‌شود؛ در این مورد، فرکانس 500 هرتز که در محدوده شنوایی طبیعی انسان قرار دارد.

ژونگ در توضیح این فرآیند گفت:

برای آزمایش این سیستم، ما از یک ماکت سر و بالاتنه انسانی استفاده کردیم که داخل گوش‌های آن میکروفون‌هایی تعبیه شده بود تا تجربه شنیداری یک انسان را شبیه‌سازی کند. همچنین یک میکروفون سوم برای بررسی محل تداخل امواج قرار داده شد. نتایج نشان داد که صدا تنها در نقطه تداخل امواج قابل شنیدن است و در هیچ نقطه دیگری دریافت نمی‌شود. این همان چیزی است که ما آن را یک “حوزه شنیداری” می‌نامیم.

در حال حاضر، محققان توانسته‌اند این حوزه‌های شنیداری را در فاصله‌ای حدود یک متر و با شدت صوتی متوسط 60 دسی‌بل (تقریباً معادل حجم یک مکالمه معمولی) ایجاد کنند. البته هنوز تا تجاری‌سازی این فناوری فاصله زیادی وجود دارد، اما کاربردهای بالقوه آن بسیار هیجان‌انگیز است.

به گفته محققان، این فناوری می‌تواند در فضاهای عمومی کاربردهای متعددی داشته باشد. به عنوان مثال، می‌توان از آن در کتابخانه‌ها، موزه‌ها یا سالن‌های کنفرانس استفاده کرد تا صداهای خاصی تنها برای گروه‌های مشخصی از افراد پخش شوند، بدون اینکه مزاحم دیگران شوند. حتی ممکن است در آینده بتوان از این فناوری برای کاهش آلودگی صوتی در مناطق شهری استفاده کرد و یک محیط آرام و بی‌صدا را در مناطق پرجمعیت ایجاد نمود.

در حالی که این فناوری هنوز در مراحل ابتدایی خود قرار دارد، اما امکان ایجاد یک تحول بنیادین در شیوه تعامل ما با صدا را نوید می‌دهد. شاید در آینده‌ای نه چندان دور، دیگر نیازی به هدفون نداشته باشیم و بتوانیم موسیقی، پیام‌های صوتی یا مکالمات تلفنی را مستقیماً و فقط در محدوده خود بشنویم، بدون اینکه دیگران حتی متوجه آن شوند.