Akademiker har skapat enheter som kan manipulera ljud på samma sätt som ljus – vilket skapar nya spännande möjligheter inom underhållning och offentlig kommunikation.

Forskare vid universiteten i Sussex och Bristol har avslöjat hur de praktiska lagarna som används för att designa optiska system också kan tillämpas på ljud genom akustiska metamaterial vid ACM CHI-konferensen om mänskliga faktorer i datorsystem.

Forskarna har demonstrerat den första dynamiska metamaterialenheten med zoomobjektivet för en varifokal för ljud. Projektgruppen har också byggt en kollimator, kan överföra ljud som en riktad stråle från en standardhögtalare.

Genombrottet har potential att revolutionera underhållningsindustrin såväl som många aspekter av kommunikation i det offentliga livet genom att skapa riktade högtalare som kan nå ut till en individ i en folkmassa.

Dr Gianluca Memoli, Föreläsare i nya gränssnitt och interaktioner vid University of Sussex som leder denna forskning, säger "Akustiska metamaterial är normala material, som plast eller papper eller trä eller gummi, men konstruerade så att deras inre geometri skulpterar ljudet som går igenom. Idén med akustiska linser har funnits sedan 1960-talet och akustiska hologram börjar dyka upp för ultraljudstillämpningar, men det här är första gången som ljudsystem med linser av praktiska storlekar, liknande de som används för ljus, har undersökts."

Tekniken tar vardagsmaterial som glas, trä och 3D-skrivarplast och konstruerar dem för att styra, direkt, och manipulera vågor på ovanliga sätt, omvandla metasytor till att bete sig som konvergerande linser för ljud.

Forskargruppen tror att tekniken öppnar upp en mängd möjligheter, inklusive möjligheten att använda ljudlinsen som mottagare för att lokalisera alarmerande ljud, som inom en maskin för att identifiera ett fel eller inom utvalda områden i ett hus för att skilja en inbrottstjuv som krossar ett fönster från en hund som skäller i bakgrunden.

När du skapar ett akustiskt teleskop, Tekniken har förmågan att zooma in på en enda person i en folkmassa för att antingen leverera eller ta emot akustiska meddelanden.

Akademikerna tror också att tekniken kan bidra till att ge en verklig 360 graders ljudtäckning, vilket säkerställer att varje medlem i en publik har den optimala lyssningsupplevelsen.

Letizia Chisari, som bidrog till detta arbete under en sommarplacering på Sussex, tillade:"I framtiden, akustiska metamaterial kan förändra sättet vi levererar ljud på konserter och teatrar, se till att alla verkligen får det ljud de betalat för. Vi utvecklar ljudkapacitet som kan ge ännu större intimitet med ljud än hörlurar, utan behov av hörlurar."

Den nya tekniken har distinkta fördelar jämfört med tidigare framsteg inom ljudteknik.

Surroundljudsystem på biografer och hemmabiosystem har en begränsad ljudeffekt som är begränsad till ett smalt lyssningsområde medan ljudspotlights är dyra och för närvarande inte kan överföra ljud av hög kvalitet.

Akustiska linser i ultraljudsgivare och vissa avancerade hemmaljud är designade för att vara mycket större än våglängden, vilket innebär att deras användning är begränsad till den högre delen av det akustiska spektrumet.

Metamaterial är mindre, billigare och enklare att tillverka än phased arrays och kan till och med tillverkas i återvinningsbara material. Metamaterialenheter leder också till mindre aberrationer än högtalarsystem, även över begränsade bandbredder.

Jonathan Eccles, en datavetenskapsstudent vid University of Sussex, sa:"Med en enda högtalare, vi kommer att kunna leverera larm till människor som rör sig på gatan, som i filmen Minority Report. Med en enda mikrofon, vi kommer att kunna lyssna på små delar av ett maskineri för att avgöra att allt fungerar bra. Våra prototyper, även om det är enkelt, sänk åtkomsttröskeln för att designa nya ljudupplevelser:enheter baserade på akustiska metamaterial kommer att leda till nya sätt att leverera, uppleva och till och med tänka på ljud."

Tidningen VARI_SOUND:a vari-focal lins for sound presenterades vid ACM CHI Conference on Human Factors in Computing Systems (CHI 2019) i Glasgow i måndags.