När du lyssnar på musik, vi hör inte bara noterna från instrumenten, vi är också nedsänkta i dess ekon från vår omgivning. Ljudvågor studsar tillbaka från väggarna och föremål runt oss, bildar en karakteristisk ljudeffekt - ett specifikt akustiskt fält. Detta förklarar varför samma musikstycke låter annorlunda när det spelas i en gammal kyrka eller en modern betongbyggnad.

Arkitekter har länge utnyttjat detta faktum när de bygger, säga, konserthallar. Dock, principen kan också överföras till andra applikationer:föremål gömda under jorden kan visualiseras genom att mäta hur ljudvågor från en känd källa reflekteras.

Aktiv och passiv manipulation

Vissa forskare vill gå ett steg längre och systematiskt manipulera det akustiska fältet för att uppnå en effekt som i sig inte borde existera, med tanke på den verkliga situationen. Till exempel, de försöker skapa en illusorisk ljudupplevelse som lurar lyssnaren att tro att de befinner sig i en betongbyggnad eller en gammal kyrka. Alternativt, objekt kan göras osynliga genom att manipulera det akustiska fältet på ett sådant sätt att lyssnaren inte längre uppfattar dem.

Vanligtvis, den önskade illusionen bygger på att använda passiva metoder som innebär att strukturera ytorna med hjälp av så kallade metamaterial. Ett sätt att dölja ett föremål akustiskt är att belägga ytan och hindra det från att reflektera ljudvågor. Dock, detta tillvägagångssätt är oflexibelt och fungerar vanligtvis endast inom ett begränsat frekvensområde, vilket gör det olämpligt för många applikationer.

Aktiva metoder försöker uppnå illusionen genom att överlagra ytterligare ett lager ljudvågor. Med andra ord, genom att lägga till en andra signal till det initiala akustiska fältet. Dock, hittills har utrymmet för att använda detta tillvägagångssätt också varit begränsat, eftersom det bara fungerar om det inledande fältet kan förutses med viss säkerhet.

Realtids illusion

Nu gruppen som leds av Johan Robertsson, Professor i tillämpad geofysik vid ETH Zürich, har arbetat med forskare från University of Edinburgh för att utveckla ett nytt koncept som avsevärt förbättrar den aktiva illusionen. Under ledning av Theodor Becker, en postdoc i Robertssons grupp, och Dirk-Jan van Manen, seniorforskaren som bidrog till att utforma experimenten, forskarna har lyckats öka det inledande fältet i realtid, som de rapporterar i det senaste numret av tidningen Vetenskapliga framsteg . Som ett resultat, de kan få objekt att försvinna och de kan efterlikna obefintliga.

För att uppnå de speciella akustiska effekterna, forskarna installerade en stor testanläggning för projektet i Center for Immersive Wave Experimentation i Schweiz Innovation Park Zurich i Dübendorf. Specifikt, denna möjlighet gör att de kan maskera förekomsten av ett föremål som mäter ungefär 12 centimeter eller simulera ett imaginärt föremål av lika stor storlek.

Målobjektet är inneslutet i en yttre ring av mikrofoner som styrsensorer och en inre ring av högtalare som kontrollkällor. Styrsensorerna registrerar vilka externa akustiska signaler som når objektet från det inledande fältet. Baserat på dessa mätningar, en dator beräknar sedan vilka sekundära ljud kontrollkällorna måste producera för att uppnå önskad förstoring av det initiala fältet.

Sofistikerad teknik

För att maskera objektet, kontrollkällorna avger en signal som helt utplånar de ljudvågor som reflekteras från objektet. Däremot, för att simulera ett objekt (även känt som holografi), kontrollkällorna förstärker det initiala akustiska fältet som om ljudvågor studsar från ett föremål i mitten av de två ringarna.

För att denna förstärkning ska fungera, data som mäts av styrsensorerna måste omedelbart omvandlas till instruktioner för styrkällorna. För att styra systemet, forskarna använder därför fältprogrammerbara gate-arrays (FPGA) med en extremt kort responstid.

"Vår anläggning tillåter oss att manipulera det akustiska fältet över ett frekvensområde på mer än tre och en halv oktav, "Säger Robertsson. Maxfrekvensen för cloaking är 8, 700 Hz och 5, 900 Hz för simulering. Hittills, forskarna har kunnat manipulera det akustiska fältet på en yta i två dimensioner. Som ett nästa steg, de vill öka processen till tre dimensioner och utöka dess funktionsområde. Systemet förstärker för närvarande luftburna ljudvågor. Dock, Robertsson förklarar, den nya processen kan också producera akustiska illusioner under vatten. Han tänker sig en mängd olika användningsområden inom olika områden, som sensorteknik, arkitektur och kommunikation, såväl som inom utbildningssektorn.

Den nya tekniken är också mycket relevant för jordvetenskaperna. "I ett labb, vi använder ultraljudsvågor med en frekvens på över 100 kHz för att bestämma de akustiska egenskaperna hos mineraler. I kontrast, på fältet, vi studerar underjordiska strukturer med seismiska vågor med en frekvens mindre än 100 Hz, "Säger Robertsson." Den nya processen kommer att göra det möjligt för oss att överbrygga denna "döda zon". "