Amikor zenét hallgatunk, nem csak a hangszerek által keltett hangokat halljuk, hanem a környezet visszhangjában is elmerülünk. A hanghullámok visszaverődnek a körülöttünk lévő falakról és tárgyakról, és jellegzetes hanghatást – egy sajátos akusztikai mezőt – hoznak létre. Ez megmagyarázza, hogy ugyanaz a zene miért hangzik teljesen másképp, ha egy régi templomban vagy egy modern betonépületben játsszák.
Az építészek már régóta kihasználják ezt a tényt például a koncerttermek építésénél. De az elv máshol is alkalmazható: a földalatti épületeket úgy lehet szemléltetni, hogy megmérjük, hogyan verődnek vissza a hanghullámok egy ismert forrásról.
Aktív és passzív hangtér-manipuláció
Egyes tudósok egy lépéssel tovább akarnak menni, és szisztematikusan manipulálni akarják az akusztikus mezőt, hogy olyan hatást érjenek el, amely a valóságban önmagában nem létezhet. Például olyan illuzórikus hangélményt próbálnak létrehozni, amely elhiteti a hallgatóval, hogy egy betonépületben vagy egy régi templomban van. Alternatívaként tárgyakat láthatatlanná lehet tenni az akusztikus mező manipulálásával, hogy a hallgató megszűnjön érzékelni őket.
A kívánt illúzió általában passzív módszerek használatára támaszkodik, amelyek a felületek strukturálását jelentik az általunk metamateriálisként ismert anyagok segítségével. Egy tárgy akusztikai elrejtésének egyik módja, hogy bevonjuk a felületét, és megakadályozzuk, hogy az bármilyen hanghullámot visszaverjen. Ez a megközelítés azonban rugalmatlan, és általában csak egy korlátozott frekvenciatartományban működik, így nem megfelelő.
Az aktív módszerek a hanghullámok egy másik rétegének felhordásával próbálják elérni az illúziót. Más szóval, egy második jel hozzáadásával a kezdeti akusztikus mezőhöz. Eddig azonban e megközelítés alkalmazási köre korlátozott volt, mivel csak akkor működik, ha a kezdeti mezőt bizonyos biztonsággal meg lehet jósolni.
Illúzió valós időben
A Johan Robertsson, az ETH Zürich alkalmazott geofizika professzora által vezetett csoport az Edinburgh-i Egyetem tudósaival együttműködve egy olyan új koncepciót dolgozott ki, amely jelentősen javítja az aktív illúziót. Theodor Becker, Robertsson csoportjának posztdoktori munkatársa és Dirk-Jan van Manen, a kísérletek megtervezésében közreműködő tudós vezetésével a kutatóknak sikerült a kezdeti mezőt valós időben kiterjeszteniük – írja a Science Advances. Ennek eredményeként a tárgyak eltűnhetnek és „úgy tehetnek”, mintha nem is léteznének.
A különleges akusztikai hatások eléréséhez a kutatók a projekthez egy nagyméretű tesztberendezést telepítettek a dübendorfi Swiss Innovation Park Zurichben található Center for Immersive Wave Experimentation központban. Konkrétan ez a berendezés lehetővé teszi számukra, hogy egy körülbelül 12 centiméteres tárgy létezését elfedjék, vagy egy ugyanilyen méretű képzeletbeli tárgyat szimuláljanak.
A céltárgyat egy külső gyűrűbe zárják, amely mikrofonokat tartalmaz, mint vezérlő érzékelőket, és egy belső gyűrűbe, amely hangszórókat tartalmaz, mint vezérlő forrásokat. A vezérlőérzékelők regisztrálják, hogy a kiindulási tömbből milyen külső akusztikus jelek érik el a tárgyat. E mérések alapján a számítógép ezután kiszámítja, hogy a vezérlőforrásoknak milyen másodlagos hangokat kell kibocsátaniuk ahhoz, hogy a kiindulási mező kívánt nagyítását elérjék.
Kifinomult technológia
A tárgy elfedése érdekében a vezérlőforrások olyan jelet bocsátanak ki, amely teljesen eltünteti a tárgyról visszavert hanghullámokat. Ezzel szemben a tárgy szimulálásához (az úgynevezett holográfia) a vezérlőforrások felnagyítják a kezdeti akusztikus mezőt, mintha a hanghullámok a két gyűrű közepén lévő tárgyról verődnének vissza.
Ahhoz, hogy ez a felnagyítás működjön, a vezérlőérzékelők által mért adatokat azonnal át kell alakítani a vezérlőforrásoknak szóló utasításokká. A rendszer vezérléséhez a kutatók ezért rendkívül rövid válaszidővel rendelkező, programozható kaputömböket (FPGA) használnak.
„A mi eszközünk lehetővé teszi, hogy több mint három és fél oktávnyi frekvenciatartományban manipuláljuk az akusztikus mezőt” – mondja Robertsson. A maximális frekvencia a maszkoláshoz 8 700 Hz, a szimulációhoz pedig 5 900 Hz. A kutatók eddig két dimenzióban tudták manipulálni az akusztikus mezőt a felületen. Következő lépésként szeretnék az eljárást három dimenzióra skálázni, és kiterjeszteni a működési tartományt. A rendszer jelenleg a levegőben terjedő hanghullámokat erősíti. Robertsson azonban elmagyarázza, hogy az új eljárással a víz alatt is lehetne akusztikus illúziókat létrehozni. A lehetséges alkalmazások széles skáláját látja a különböző területeken, például az érzékelőtechnológiában, az építészetben és a kommunikációban, valamint az oktatásban.
Az új technológia a földtudományok számára is nagyon fontos. „A laboratóriumban 100 kHz feletti frekvenciájú ultrahanghullámokat használunk az ásványok akusztikai tulajdonságainak meghatározására. Ezzel szemben a terepen 100 Hz-nél kisebb frekvenciájú szeizmikus hullámokkal vizsgáljuk a föld alatti struktúrákat” – mondja Robertsson. „Az új eljárás lehetővé teszi számunkra, hogy segítsünk áthidalni ezt a „holt zónát”.”
Forrás:
ETH Zürich. „Akustické ilúzie.” ScienceDaily. ScienceDaily, 10. september 2021. www.sciencedaily.com/releases/2021/09/210910172804.htm.