Bij het luisteren naar muziek, we horen niet alleen de noten die door de instrumenten worden geproduceerd, we worden ook ondergedompeld in zijn echo's uit onze omgeving. Geluidsgolven kaatsen terug van de muren en objecten om ons heen, een karakteristiek geluidseffect vormen - een specifiek akoestisch veld. Dit verklaart waarom hetzelfde muziekstuk anders klinkt wanneer het in een oude kerk of een modern betonnen gebouw wordt gespeeld.

Architecten hebben hier al lang op ingespeeld bij het bouwen, zeggen, concert hallen. Echter, het principe kan ook worden overgedragen naar andere toepassingen:ondergronds verborgen objecten kunnen worden gevisualiseerd door te meten hoe geluidsgolven van een bekende bron worden gereflecteerd.

Actieve en passieve manipulatie

Sommige wetenschappers willen nog een stap verder gaan en het akoestische veld systematisch manipuleren om een ​​effect te bereiken dat op zich niet zou moeten bestaan, gezien de werkelijke situatie. Bijvoorbeeld, ze proberen een illusoire audio-ervaring te creëren die de luisteraar laat geloven dat ze zich in een betonnen gebouw of een oude kerk bevinden. Alternatief, objecten kunnen onzichtbaar worden gemaakt door het akoestische veld zo te manipuleren dat de luisteraar ze niet meer waarneemt.

Gebruikelijk, de gewenste illusie berust op het gebruik van passieve methoden waarbij de oppervlakken worden gestructureerd met behulp van zogenaamde metamaterialen. Een manier om een ​​object akoestisch te verbergen, is door het oppervlak te coaten en te voorkomen dat het eventuele geluidsgolven weerkaatst. Echter, deze aanpak is inflexibel en werkt meestal alleen binnen een beperkt frequentiebereik, waardoor het voor veel toepassingen ongeschikt is.

Actieve methoden proberen de illusie te bereiken door een andere laag geluidsgolven over elkaar heen te leggen. Met andere woorden, door een tweede signaal toe te voegen aan het initiële akoestische veld. Echter, tot nu toe waren de mogelijkheden voor het gebruik van deze aanpak ook beperkt, omdat het alleen werkt als het initiële veld met enige zekerheid kan worden voorspeld.

Realtime illusie

Nu de groep onder leiding van Johan Robertsson, Hoogleraar Toegepaste Geofysica aan de ETH Zürich, heeft samengewerkt met wetenschappers van de Universiteit van Edinburgh om een ​​nieuw concept te ontwikkelen dat de actieve illusie aanzienlijk verbetert. Onder leiding van Theodor Becker, een postdoc in de groep van Robertsson, en Dirk-Jan van Manen, de senior wetenschapper die een belangrijke rol speelde bij het ontwerpen van de experimenten, de onderzoekers zijn erin geslaagd om het initiële veld in realtime te vergroten, zoals ze rapporteren in het laatste nummer van het tijdschrift wetenschappelijke vooruitgang . Als resultaat, ze kunnen objecten laten verdwijnen en ze kunnen niet-bestaande nabootsen.

Om de speciale akoestische effecten te bereiken, de onderzoekers installeerden een grote testfaciliteit voor het project in het Center for Immersive Wave Experimentation op het Switzerland Innovation Park Zürich in Dübendorf. specifiek, deze faciliteit stelt hen in staat om het bestaan ​​van een object van ongeveer 12 centimeter te maskeren of een denkbeeldig object van gelijke grootte te simuleren.

Het doelobject is ingesloten in een buitenste ring van microfoons als controlesensoren en een binnenste ring van luidsprekers als controlebronnen. De regelsensoren registreren welke externe akoestische signalen het object vanuit het startveld bereiken. Op basis van deze metingen, een computer berekent vervolgens welke secundaire geluiden de regelbronnen moeten produceren om de gewenste vergroting van het beginveld te bereiken.

Geavanceerde technologie

Om het object te maskeren, de controlebronnen zenden een signaal uit dat de door het object weerkaatste geluidsgolven volledig vernietigt. Daarentegen, een object simuleren (ook wel holografie genoemd), de controlebronnen versterken het initiële akoestische veld alsof geluidsgolven terugkaatsen van een object in het midden van de twee ringen.

Om deze vergroting te laten werken, de gegevens die door de regelsensoren worden gemeten, moeten onmiddellijk worden omgezet in instructies voor de regelbronnen. Om het systeem te besturen, de onderzoekers gebruiken daarom field-programmable gate arrays (FPGA's) met een extreem korte responstijd.

"Onze faciliteit stelt ons in staat om het akoestische veld te manipuleren over een frequentiebereik van meer dan drie en een halve octaaf, " zegt Robertsson. De maximale frequentie voor cloaking is 8, 700 Hz en 5, 900 Hz voor simulatie. Daten, de onderzoekers hebben het akoestische veld op een oppervlak in twee dimensies kunnen manipuleren. Als volgende stap, ze willen het proces uitbreiden naar drie dimensies en het functionele bereik uitbreiden. Het systeem versterkt momenteel geluidsgolven in de lucht. Echter, Robertsson legt uit, het nieuwe proces zou ook onder water akoestische illusies kunnen opleveren. Hij voorziet een breed scala aan mogelijke toepassingen op verschillende gebieden, zoals sensortechnologie, architectuur en communicatie, maar ook in de onderwijssector.

De nieuwe technologie is ook zeer relevant voor de aardwetenschappen. "In een laboratorium we gebruiken ultrasone golven met een frequentie van meer dan 100 kHz om de akoestische eigenschappen van mineralen te bepalen. In tegenstelling tot, in het veld, we bestuderen ondergrondse constructies met seismische golven met een frequentie van minder dan 100 Hz, " zegt Robertsson. "Het nieuwe proces stelt ons in staat om deze 'dode zone' te helpen overbruggen."