MiPAL: Η τεχνολογία που φέρνει τον ήχο αποκλειστικά στα αυτιά σου χωρίς ακουστικά

Σύνοψη

• Ερευνητές από το Πανεπιστήμιο POSTECH στη Νότια Κορέα παρουσίασαν το MiPAL, ένα καινοτόμο κατευθυντικό ηχείο το οποίο εκπέμπει ήχο που μπορεί να ακούσει αποκλειστικά ο στοχευμένος ακροατής, διατηρώντας την απόλυτη ησυχία για τους παρευρισκόμενους στον ίδιο ακριβώς χώρο.
• Το σύστημα βασίζεται στη μετάδοση υπερήχων και ενσωματώνει προηγμένα μετα-υλικά (metamaterials) που λειτουργούν ταυτόχρονα ως ακουστικοί φακοί για την αυστηρή εστίαση της ηχητικής δέσμης και ως ελαστικά φράγματα για την πλήρη εξάλειψη των παράπλευρων δομικών δονήσεων.
• Η συγκεκριμένη τεχνολογία καλύπτει το συχνοτικό εύρος από 500 Hz έως 10 kHz, εξασφαλίζοντας υψηλή ποιότητα αναπαραγωγής ομιλίας, και προορίζεται για εμπορική ενσωμάτωση σε αεροπορικά καθίσματα, βαγόνια τρένων και εκθεσιακούς χώρους μουσείων.

Η θεμελιώδης διαφορά μεταξύ του τρόπου με τον οποίο διαδίδεται το φως και ο ήχος στο φυσικό περιβάλλον αποτελεί ένα από τα πιο κλασικά προβλήματα της φυσικής ακουστικής, καθώς ενώ το φως από έναν φακό laser ταξιδεύει σε απόλυτη ευθεία, τα ηχητικά κύματα τείνουν να διασκορπίζονται προς όλες τις κατευθύνσεις του χώρου. 

Αυτή ακριβώς η ιδιότητα καθιστά αναγκαία τη χρήση προσωπικών ακουστικών σε δημόσιους χώρους προκειμένου να αποτραπεί η ηχητική ρύπανση, ωστόσο μια νέα έρευνα έρχεται να ανατρέψει τη συγκεκριμένη φυσική συνθήκη. Η ερευνητική ομάδα του Πανεπιστημίου Pohang University of Science and Technology (POSTECH) στη Νότια Κορέα αναπτύσσει ένα πρωτοποριακό σύστημα κατευθυντικού ήχου που καθιστά απολύτως εφικτή την αποστολή μιας ακουστικής πληροφορίας αποκλειστικά και μόνο σε έναν μεμονωμένο ακροατή. 

Το ηχείο που προέκυψε από αυτή τη μακρόχρονη έρευνα ονομάζεται MiPAL (Metamaterials-integrated Parametric Array Loudspeaker) και υπόσχεται να εξαλείψει την ανάγκη χρήσης ακουστικών κατά τη διάρκεια αεροπορικών πτήσεων, μετακινήσεων με μέσα σταθερής τροχιάς, καθώς και κατά την περιήγηση σε μουσειακούς εκθεσιακούς χώρους.

Πώς λειτουργεί το κατευθυντικό ηχείο MiPAL;

Το MiPAL (Metamaterials-integrated Parametric Array Loudspeaker) αξιοποιεί έναν μοναδικό μετατροπέα υπερήχων συνδυασμένο με μετα-υλικά διπλού τομέα, επιτυγχάνοντας πρωτοφανή κατευθυντικότητα. Μια ακουστική μετα-επιφάνεια στο μπροστινό τμήμα λειτουργεί ως φακός που εστιάζει τα υψίσυχνα κύματα σε μια ευθεία, στενή δέσμη, ενώ ελαστικές μετα-μονάδες στο πίσω μέρος απορροφούν τις ανεπιθύμητες δονήσεις αποτρέποντας την πλευρική διαρροή του ήχου στο περιβάλλον, με επιχειρησιακό εύρος από 500 Hz έως 10 kHz.

Η λειτουργία των κατευθυντικών ηχείων γενικότερα βασίζεται στη μέθοδο της παραμετρικής συστοιχίας (Parametric Array Loudspeaker - PAL), η οποία δεν εκπέμπει απευθείας τις συχνότητες που ακούει το ανθρώπινο αυτί, αλλά χρησιμοποιεί υψίσυχνα κύματα τα οποία διαμορφώνονται με το επιθυμητό ακουστικό σήμα. Καθώς αυτά τα ισχυρά κύματα υπερήχων ταξιδεύουν μέσω του αέρα, η φυσική μη γραμμικότητα του μέσου αναγκάζει τις συχνότητες να αλληλεπιδράσουν μεταξύ τους, δημιουργώντας τελικά το επιθυμητό ακουστό σήμα αποκλειστικά κατά μήκος της κεντρικής διαδρομής της δέσμης. 

Μέχρι σήμερα, για να επιτευχθεί μια ικανοποιητική κατευθυντικότητα μέσω της μεθόδου PAL, οι κατασκευαστές αναγκάζονταν να ενσωματώνουν δεκάδες ή και εκατοντάδες μικροσκοπικούς πομπούς υπερήχων σε μεγάλες και πολύπλοκες διατάξεις, αυξάνοντας δραματικά το κόστος παραγωγής και τον συνολικό όγκο των συσκευών. Επιπλέον, οι προσπάθειες κατασκευής πιο απλοποιημένων εκδόσεων με λιγότερα εξαρτήματα κατέληγαν σε αποτυχία, διότι οι παλλόμενες μεμβράνες δημιουργούσαν παρασιτικές δονήσεις στο ίδιο το σώμα του ηχείου, με αποτέλεσμα ο ήχος να διαρρέει πλευρικά και η κατευθυντικότητα να χάνεται πλήρως, καθιστώντας τα συστήματα αυτά άχρηστα για αυστηρά προσωπική ακρόαση.

Προκειμένου να παρακάμψουν τους συγκεκριμένους τεχνικούς περιορισμούς, οι ερευνητές προσέγγισαν το ζήτημα μέσω της επιστήμης των μετα-υλικών (metamaterials). Τα μετα-υλικά αποτελούν τεχνητές δομές που έχουν σχεδιαστεί σε μικροσκοπικό επίπεδο για να χειρίζονται φυσικά κύματα, όπως τον ήχο, το φως ή τους κραδασμούς, με τρόπους που τα φυσικά υλικά αδυνατούν να προσεγγίσουν. Στην περίπτωση του MiPAL, η ομάδα εγκατέστησε στο μπροστινό μέρος της συσκευής μια ειδικά διαμορφωμένη ακουστική μετα-επιφάνεια, η οποία αναλαμβάνει τον ρόλο ενός εξαιρετικά ακριβούς οπτικού φακού, ανασχηματίζοντας τα ακανόνιστα μέτωπα των υπερηχητικών κυμάτων και μετατρέποντάς τα σε μια ευθεία, συγκεντρωμένη ηχητική ακτίνα. Ωστόσο, η πραγματική καινοτομία έγκειται στην τοποθέτηση ελαστικών μετα-μονάδων στο οπίσθιο τμήμα της συσκευής, οι οποίες λειτουργούν ως απόλυτα φίλτρα απορρόφησης κραδασμών, καταστέλλοντας πλήρως τις δονήσεις του υλικού σε συγκεκριμένες συχνότητες, γεγονός που αποτρέπει τη μηχανική μεταφορά του ήχου στο υπόλοιπο πλαίσιο του ηχείου.

Αυτό το διπλό σύστημα ασφαλείας επέτρεψε στη συσκευή, παρά το γεγονός ότι αποτελείται από ένα και μόνο βασικό στοιχείο εκπομπής, να κατευθύνει τον ήχο με απόλυτη ακρίβεια στο ευρύ φάσμα συχνοτήτων από 500 Hz έως 10 kHz. Πρόκειται για μια εξαιρετικά κρίσιμη επίδοση στον τομέα της ακουστικής μηχανικής, διότι η κάλυψη περισσοτέρων από τεσσάρων οκτάβων διασφαλίζει ότι η συσκευή μπορεί να αναπαράγει με εντυπωσιακή φυσικότητα τόσο τις χαμηλές και μεσαίες αρμονικές της ανθρώπινης φωνής, όσο και τα υψηλότερα στοιχεία μιας μουσικής σύνθεσης. 

Η ερευνητική ομάδα προχώρησε στη διεξαγωγή εξαντλητικών πειραμάτων, στήνοντας μια διάταξη που προσομοίωνε με ακρίβεια τη διάταξη των καθισμάτων ενός σύγχρονου επιβατικού αεροσκάφους, προκειμένου να μετρήσει αν ο επιβάτης της διπλανής θέσης θα ενοχλείται από τα ηχητικά μηνύματα. Οι μετρήσεις των ντεσιμπέλ υπό διαφορετικές γωνίες απέδειξαν περίτρανα ότι, χάρη στην προσθήκη των ελαστικών μετα-μονάδων στο πίσω μέρος του ηχείου, η πλευρική διαρροή σχεδόν μηδενίστηκε, διασφαλίζοντας την ιδιωτικότητα της ακρόασης αποκλειστικά για τον χρήστη που βρισκόταν στην τροχιά της δέσμης.

Ένα επιπρόσθετο και εξίσου σημαντικό πλεονέκτημα του συστήματος MiPAL αφορά την κατασκευαστική του ευελιξία και το δυνητικά χαμηλό κόστος παραγωγής του. Οι ερευνητές φρόντισαν ώστε η δομή των μετα-υλικών να είναι πλήρως αρθρωτή και άμεσα συμβατή με τις σύγχρονες τεχνικές 3D printing. Έτσι, οι σχεδιαστές βιομηχανικών προϊόντων έχουν την ελευθερία να αναπροσαρμόζουν γρήγορα τη γεωμετρία της μετα-επιφάνειας, αλλάζοντας την απόσταση εστίασης του ήχου, τη γωνία διασποράς ή το μέγεθος της συσκευής, ανάλογα με τον χώρο εγκατάστασης, είτε πρόκειται για τις στενές καμπίνες ενός αεροσκάφους, είτε για τις ευρύχωρες αίθουσες ενός σύγχρονου μουσείου.

Η άποψη του Techgear

Η έλευση τεχνολογιών κατευθυντικού ήχου υψηλής ακρίβειας, όπως το MiPAL, ανοίγει τον δρόμο για τη ριζική αναμόρφωση του τρόπου με τον οποίο διαχειριζόμαστε την πληροφορία στους δημόσιους χώρους, προσφέροντας παράλληλα τεράστιες δυνατότητες εμπορικής εφαρμογής. 

Για παράδειγμα, η ενσωμάτωση τέτοιων κατευθυντικών ηχείων στις business class καμπίνες αεροπορικών εταιρειών θα καταργούσε την ανάγκη συντήρησης και απολύμανσης εκατοντάδων ζευγαριών ακουστικών ανά πτήση, ενώ παράλληλα θα αναβάθμιζε κατακόρυφα την εμπειρία του επιβάτη. Αντίστοιχα, κορυφαίοι πολιτιστικοί οργανισμοί θα μπορούσαν να εγκαταστήσουν συστήματα MiPAL μπροστά από συγκεκριμένα εκθέματα, επιτρέποντας στον επισκέπτη να ακούει την ξενάγηση στη δική του γλώσσα στεκόμενος απλώς σε ένα συγκεκριμένο σημείο, χωρίς ο ήχος να αναμιγνύεται με την ξενάγηση του διπλανού εκθέματος.