Средство для направления - рупор - изобретено еще до нашей эры. Оно не усиливает звук, а лишь концентрирует его, подобно тому, как концентрирует свет параболический отражатель. Чтобы сделать рупор, изготовьте из любого легкого листового материала полый усеченный конус, имеющий длину около 300 мм, малый диаметр порядка 30 мм, а большой - порядка 200 мм. Для удобства использования снабдите его ручкой. Такой простейший прибор хотя и не сравнится по эффективности с , но пригодится руководителю турпохода, вожатому в лагере, тренеру.
Аналогично тому, как один и тот же объектив может работать в составе как проектора, так и телескопа, один и тот же рупор может использоваться и для направления звука, и для его улавливания. Прислоните малое отверстие приспособления не ко рту, а к уху, после чего направьте на источник тихого звука, и вы услышите его значительно отчетливее.
Повысить эффективность рупора можно только увеличением его размера. От этого он становится громоздким. Чтобы этого избежать, сделайте прибор изогнутым. Такие рупоры, подчас встроенные в кресла, в прошлом использовали в качестве примитивных слуховых аппаратов. Действовали они эффективно, но не были переносными. Также изогнутые рупоры являются неотъемлемыми атрибутами старых граммофонов.
Попробуйте прислонить к малому отверстию рупора подходящего размера. Тем, кто находится по бокам, покажется, что звук стал тише, зато те, кто расположился напротив большого отверстия, почувствуют увеличение громкости. Это тоже не усиление, а лишь перераспределение энергии в пространстве. В первых рупорных громкоговорителях также применялись изогнутые трубки - такое решение применяют иногда и сейчас, но в декоративных целях. Чаще же встречаются громкоговорители со свернутыми рупорами. Такое устройство состоит из громкоговорителя с малым рупором, направленным внутрь большого. Последний, в свою очередь, направляется на слушателя. Приглядитесь к мегафону, громкоговорителю на столбе, полицейском автомобиле и вы увидите именно такую конструкцию.
Но направить звук можно не только при помощи крупного рупора. Явление биений между колебаниями наблюдается в отношении как электромагнитных, так и механических волн. Для направления ультразвука потребуется рупор значительно меньших размеров, чем для направления слышимого звука. Представьте себе два направленных в одну точку ультразвуковых излучателя, один из которых работает на частоте в 30000 Гц, а второй - на частоте в 30500 Гц. Тогда за счет биений человек, находящийся в этой точке, услышит звук с разностной частотой в 500 Гц. Если вы разбираетесь в электронике, попробуйте повторить этот опыт, используя генераторы и пьезоэлектрические излучатели мощностью не более 10 милливатт.
Идея создать излучатель направленного звука имеет давнюю историю. Еще в конце XIX века знаменитый своими чрезвычайно наглядными экспериментами американский физик Роберт Вуд вместе со своим приятелем Портером сконструировал почти трехметровый картонный мегафон диаметром более полуметра. по словам Уильяма Сибрука, биографа Вуда, с его помощью можно было передавать голос на очень большое расстояние - делать неожиданные замечания людям, стоящим за два-три квартала. Сидя в комнате Вуда на верхнем этаже дома на улице Мак-Куллоха, они поджидали подходящую жертву. Человеку, идущему по пустой улице в конце квартала, говорили: «Прошу прощения, вы что-то уронили». Тот останавливался, оглядывался назад, потом под ноги и, постояв минуту, шел дальше.
Что такое направленный звук?
Направленный звук – это эффект, при котором звук распространяется подобно лучу прожектора в строго заданном направлении и “бьет” в четко заданное место пространства. Если человек, находящийся в этом месте, покинет его, он перестанет слышать передаваемое звуковое сообщение.Презентации к просмотру:
Как получить направленный звук?
Чтобы получить направленный звук из обычного динамика, его пришлось бы изготавливать размером с дом. Проблема в том, что звук, который создается в обычных громкоговорителях, колонках, не имеет ярко выраженной направленности: он распространяется во все стороны за счет явления, которое в физике называется дифракцией акустических волн. Проще говоря, это огибание звуковой волной препятствий или "размывание" звукового пучка. Степень "размывания" зависит от длины волны и от размеров ее источника. Для того, чтобы избавиться от нежелательного рассеивания звука, длина звуковой волны должна быть существенно (на 3-4 порядка) меньше размеров источника.Человеческое ухо способно воспринимать лишь многометровые волны, длина которых существенно превышает габариты традиционных динамиков. Чтобы превратить обычный динамик в звуковой "лазер", пришлось бы изготавливать его размером с многоэтажный дом.
Уменьшение же длины звуковых волн с целью создания узконаправленного звукового пучка приведет к тому, что человек его просто не сможет услышать.
Как «оседлать» звук?
Решение проблемы было найдено в 1997 году Джозефом Помпеи, основателем компании «Holosonics». Им было разработано устройство, состоящее из набора ультразвуковых излучателей, которое сначала преобразует обычный звуковой сигнал в особый ультразвуковой формат. Длина волны ультразвука намного меньше размеров динамика (всего несколько миллиметров), поэтому волны излучаются узким пучком. Затем, прямо в воздухе (примерно через полметра) за счет его свойств, происходит раскрытие «заложенных» в ультразвуковые импульсы слышимых частот.В результате излучаемый динамиками ультразвук образует звуковой столб диаметром около метра. Находясь внутри этого столба, человек слышит высококачественный звук, но стоит ему сделать шаг в сторону... и звук почти исчезает!
Такой звуковой столб можно направлять, подобно лучу прожектора, персонально тому или иному слушателю. Он может отражаться от стен, как луч света, сохраняя при этом свою узкую направленность. При этом отражения звука от поверхностей внутри столба (например, от людей) почти не слышны тем, кто находится снаружи.
Устройство позволяет добиться почти невозможного: без всяких наушников и звукоизоляции направлять звук в нужную точку с точностью до нескольких сантиметров.
Возможности НАПРАВЛЕННОГО ЗВУКА:
- Озвучивание одновременно нескольких "зон" на расстоянии 1,5 - 2 метра друг от друга в одном помещении без создания беспорядочного шума;
- Обеспечение локального звука в требуемом месте при сохранении тишины в помещении в целом.
Область применения
- Оснащение магазинов торговых комплексов без лишнего шума;
- Звуковое оборудование выставок и выставочных экспозиций;
- Оборудование музеев и демонстрационных залов;
- Оборудование аудио рекламы товаров и услуг;
- Звуковое оборудование для банков и офисов;
- Проведение массовых мероприятий и акций;
- Оснащение салонов красоты, SPA и фитнесс-центров
Мультимедиа в сложных или звукочувствительных помещениях.
 |
В музеях
|
 |
В библиотеках
|
 |
Озвучивание рекламных щитов на улицах
|
Видео:
|
|
|
|
Аудиосистему с направленным звучанием, предназначенную для массового рынка. Это акустическая колонка, звук от которой слышит его лишь один человек в комнате, как если бы он надел наушники.
Рассказываем, как это работает и где уже применяют такие технологии.
Что такое системы направленного звука
Такие системы отличаются от обычных колонок тем, что формируют узкий аудиопоток, который слышен лишь перед ней. Первые динамики направленного звука появились в конце 80-х годов.Конструкция была достаточно примитивной. Они представляли собой обычные динамики, повешенные под потолком, которые окружал пластиковый купол. Звук отражался от внутренней поверхности купола и был слышен лишь человеку, стоящему непосредственно под устройством.
В 90-х появилась другая технология, в которой используется ультразвук. В этом случае колонка с помощью пьезоэлектрических преобразователей излучает звук, частота которого находится за пределами диапазона слышимости человека. Но по мере распространения звуковых волн в воздухе происходит проявление слышимых частот (из-за нелинейных эффектов).
У этих систем есть серьезный недостаток. Они рассчитаны на то, что слушатель стоит на одном месте - часто колонки размещают на потолке, а звук концентрируется в точке под ними.
Как решили эту проблему
Решили эту проблему инженеры израильского стартапа Noveto. Их система направленного звука умеет передавать звук слушателю вне зависимости от его местоположения в помещении.Акустическая колонка имеет 3D-сенсоры, которые отслеживают положение головы пользователя. После этого система сама рассчитывает, в каком направлении и под каким углом следует посылать звуковые волны (в этом случае также используется ультразвук). В результате на ушах пользователя как бы образуются «виртуальные наушники» - небольшие области, в которых слышна музыка.
Сенсоры реагируют на движения слушателя и перемещают звуковой поток, если человек поворачивает голову или садится на другое место. При этом система способна распознавать нескольких сидящих рядом людей и каждому посылать персональный аудиопоток разной громкости.
Демонстрацию работы технологии можно посмотреть в этом видео от CNBC:
Сейчас система Noveto находится на этапе разработки, поэтому у него есть определенные недостатки. Например, если повернуться к колонке одним ухом, то звук будет поступать только в него (очевидно, система просто «не видит» второе ухо). Однако, по словам представителей компании, это можно исправить, если разместить дополнительную аудиосистему на потолке.
Другой момент, над которым также ведется работа, - качество звучания. Как пишут журналисты из Business Insider, колонки Noveto пока воспроизводят аудио с искажениями. Плюс такие системы, из-за особенностей реализации, плохо проигрывают низкие частоты. Генеральный директор стартапа говорит , что со временем качество звучания системы будет существенно улучшено.
Где технологию будут применять
Сейчас системы направленного звука нечасто встречаются в повседневной жизни. В основном их используют в музеях или на выставках. Посетители могут слушать лекции электронных гидов и не мешать другим. Иногда такие системы можно найти в магазинах около полок с рекламируемым товаром. Такие технологии также используют в банках. Например, в некоторых отделениях Сбербанка установили терминалы для видеоконсультаций с колонками направленного звука.Ожидается, что с появлением компактных систем, аналогичных устройствам Noveto, направленный звук станет более привычной технологией. И наиболее перспективными областями её применения видятся аудиосистемы для офисов и автомобилей.
В офисе системами направленного звука можно оборудовать комнаты для видеоконференций или рабочие места сотрудников, которые вынуждены проводить в наушниках большую часть дня. Это диспетчеры или операторы колл-центров.
Фото Bryce Johnson /
В автомобилях направленный звук может использовать водитель, чтобы ответить на звонок, или пассажиры, которые хотят послушать музыку и не отвлекать человека за рулем. В частности, Noveto уже заключили сделку с компанией SEAT, которая протестирует новую аудиосистему в своих авто.
Кто еще разрабатывает подобные системы
Направленный звук заинтересовал и другие автомобильные компании, помимо SEAT. Hyundai и KIA работают над системой «раздельных звуковых зон» (Separated Sound Zone). Каждое место в автомобиле будет оборудовано отдельной направленной колонкой, поэтому все пассажиры смогут слушать разную музыку или подкасты и не мешать друг другу.Аналогичные аудиосистемы планирует внедрить и Renault. Компания инвестировала в стартап Akoustic Arts, который занимается разработкой «персональных» колонок.
На выставке CES 2018 одновременно с системой Noveto была представлена компактная колонка направленного звука S-Ray от Samsung. Это устройство помещается на ладони, и его можно подключать к смартфону. Колонку создали в творческой лаборатории Samsung C-Lab, и пока готов только первый прототип устройства.
Несмотря на свой потенциал и заявления CEO Noveto, технология направленного звука еще долгое время не заменит наушники. Хотя бы потому что все эти проекты находятся на ранних этапах своего развития. Однако у технологии есть потенциал, и, возможно, в будущем она сумеет проявить себя в самых разных сферах нашей жизни.
P.S. Больше об аудиотехнологиях, звуке и музыке - в нашем Telegram-канале :
Космическое звучание Континуума Хакена
Наш рейтинг наушников
Гид для новичка: что важно знать про амбушюры наушников
Наш гид покупателя: полочные колонки vs напольные
Направленность любого источника зависит от размеров самого источника в зависимости от длины волны, создаваемой источником. Длина волны слышимого диапазона составляет от нескольких сантиметров до нескольких метров, и так как эти волны соизмеримы с размерами самой колонки, звук распространяется всенаправлено. Только создание источников звука, по размерам превосходящих длину волны может привести к созданию направленного звучания.
Иными словами громкоговоритель диаметром в 20 метров никого не устраивает.
Для создания направленного звукового луча от небольшого источника система Audio Spotlight использует ультразвук.
Длина волны ультразвукового излучения составляет всего несколько миллиметров, то есть оно много меньше источника излучения, и поэтому распространяется очень узким лучом и в итоге получаем « «.
Конечно, сам по себе ультразвук не воспринимается человеческим ухом. Но при прохождении ультразвукового луча нелинейные свойства воздуха меняют его свойства. Внесение предыскажений, формирование нужного ультразвукового луча и использование нелинейных свойств воздуха позволяют получить требуемый .
Отметим, что источником звука является не само устройство, которое вы видите, а невидимый луч ультразвукового излучения, который может распространяться на много метров вперед. Поэтому полученный направленный аудио звук распространяется узконаправленно как луч света.
Сама идея использования высокочастотных волн для получения низкочастотных сигналов впервые была предложена физиками и математиками, разрабатывающими технику для подводной гидролокации более сорока лет назад. За последние несколько десятков лет многие пытались использовать эту технологию для получения направленного аудио звука и терпели неудачу. И только упорная работа математиков и физиков привела к созданию системы направленного звука Audio Spotlight, которая до сих пор является единственной в своем роде, обеспечивающей низкий уровень искажений и высокий уровень качества звучания.
Технология использования нелинейного взаимодействия высокочастотных волн для получения низкочастотных волн впервые была разработана учеными при создании техники для подводной гидролокации в 60-х годах. Эти ранние исследования заложили базисные знания по данной проблеме, в результате которых была разработана инновационный гидролокатор с большой направленностью, который сегодня мы называем параметрическим массивом.
В 1975 году появились первые публикации, подтверждающие существование этих нелинейных эффектов. И хотя ученым еще не удалось создать устройства направленного излучения, появились первые предположения, что это возможно.
За последние два десятилетия несколько крупных компаний, включая Matsushita (Panasonic), NC Denon и Ricoh, предпринимали попытки создания громкоговорителей, основанных на этих принципах. Они даже достигли определенных успехов, но проблемы с ценой, крайне большими искажениями поставили крест на данных разработках.
В конце 90-х выпускник Northwestern University Джозеф Помпей основал ‘3D Audio’. Он решил использовать идеи о создании громкоговорителей на основе применения ультразвука. Проведенные исследования позволили расширить знания в этой области. Тщательный математический анализ и фундаментальные знания в области физики позволили ему стать первому, и на сегодняшний день единственному, создателю системы высококачественного направленного звука Audio Spotlight .
