Nghiên cứu mới của chúng tôi đã giới thiệu một phương pháp tạo ra các "khu vực âm thanh có thể nghe được" – những vùng âm thanh cục bộ, được tách biệt hoàn toàn với môi trường xung quanh. Nói cách khác, chúng tôi đã phát triển công nghệ có thể truyền âm thanh chính xác vào đúng vị trí cần thiết.
Khả năng truyền âm thanh chỉ nghe được tại một địa điểm cụ thể này có thể làm thay đổi hoàn toàn các trải nghiệm giải trí, giao tiếp và âm thanh không gian.
Âm thanh là gì?
Âm thanh là sự dao động lan truyền qua không khí dưới dạng sóng. Những sóng này được tạo ra khi một vật thể di chuyển qua lại, làm nén và giãn các phân tử không khí. Tần số của các dao động này quyết định độ cao thấp của âm thanh. Tần số thấp tạo ra âm thanh trầm, như tiếng trống bass, trong khi tần số cao tạo ra âm thanh sắc nét, như tiếng còi.
Điều khiển âm thanh đi đến đâu rất khó khăn vì hiện tượng gọi là sự nhiễu xạ – sóng âm có xu hướng lan tỏa khi di chuyển. Hiện tượng này đặc biệt mạnh mẽ đối với âm thanh có tần số thấp, khiến việc giữ âm thanh trong một khu vực cụ thể gần như là không thể.
Một số công nghệ âm thanh hiện nay, như loa array tham số, có thể tạo ra các chùm sóng âm tập trung vào một hướng. Tuy nhiên, ngay cả những công nghệ này cũng không thể tránh khỏi việc phát ra âm thanh có thể nghe được trên toàn bộ đường đi của chúng khi lan tỏa trong không gian.
Chúng tôi đã tìm ra một phương pháp mới để truyền âm thanh đến một người nghe cụ thể thông qua các chùm sóng siêu âm tự uốn cong và khái niệm âm học phi tuyến. Siêu âm là những sóng âm có tần số vượt quá khả năng nghe của con người (trên 20 kHz), chúng di chuyển qua không khí giống như các sóng âm bình thường nhưng không thể nghe thấy. Vì siêu âm có thể xuyên qua nhiều vật liệu và tương tác với các vật thể theo cách độc đáo, nó đã được sử dụng rộng rãi trong chẩn đoán y tế và các ứng dụng công nghiệp.
Trong nghiên cứu của chúng tôi, siêu âm được sử dụng như một phương tiện để mang âm thanh có thể nghe được. Nó có thể vận chuyển âm thanh qua không gian một cách im lặng – chỉ trở nên nghe thấy khi cần thiết. Cách thức hoạt động của chúng tôi là: Thông thường, sóng âm kết hợp theo cách tuyến tính, nghĩa là chúng cộng lại với nhau để tạo thành một sóng lớn hơn. Tuy nhiên, khi sóng âm có cường độ đủ mạnh, chúng có thể tương tác theo cách phi tuyến, tạo ra các tần số mới mà trước đây không tồn tại.
Đây chính là chìa khóa của phương pháp chúng tôi: Chúng tôi sử dụng hai chùm sóng siêu âm có tần số khác nhau, và cả hai đều hoàn toàn im lặng khi tách biệt. Tuy nhiên, khi chúng giao nhau trong không gian, hiệu ứng phi tuyến khiến chúng tạo ra một sóng âm mới với tần số có thể nghe được, chỉ nghe được tại khu vực giao nhau đó. Quan trọng là, chúng tôi thiết kế các chùm siêu âm có thể tự uốn cong.
Thông thường, sóng âm di chuyển theo đường thẳng, trừ khi có vật thể nào đó chặn hoặc phản xạ chúng. Tuy nhiên, bằng cách sử dụng các bề mặt âm học metasurfaces – vật liệu chuyên dụng để điều khiển sóng âm – chúng tôi có thể điều chỉnh các chùm sóng siêu âm sao cho chúng uốn cong khi di chuyển. Tương tự như cách một thấu kính uốn cong ánh sáng, metasurfaces âm học thay đổi hướng đi của sóng âm. Bằng cách kiểm soát chính xác pha của sóng siêu âm, chúng tôi tạo ra các con đường âm thanh uốn cong có thể di chuyển xung quanh vật cản và hội tụ tại một điểm cụ thể.
Hiện tượng chủ yếu mà chúng tôi sử dụng được gọi là tạo tần số khác biệt. Khi hai chùm sóng siêu âm có tần số hơi khác nhau, ví dụ như 40 kHz và 39,5 kHz, chúng sẽ giao nhau và tạo ra một sóng âm mới có tần số bằng sự chênh lệch giữa chúng – trong trường hợp này là 0,5 kHz, tương đương với 500 Hz, hoàn toàn trong phạm vi nghe của con người. Âm thanh chỉ có thể được nghe thấy tại điểm giao nhau của các chùm sóng đó. Ngoài khu vực giao nhau này, các sóng siêu âm vẫn hoàn toàn im lặng.
Điều này có nghĩa là bạn có thể truyền âm thanh đến một vị trí hoặc người cụ thể mà không làm phiền người khác khi âm thanh di chuyển qua không gian.
Sự tiến bộ trong việc kiểm soát âm thanh
Khả năng tạo ra các khu vực âm thanh có thể nghe được mở ra rất nhiều ứng dụng tiềm năng. Những khu vực âm thanh này có thể mang lại trải nghiệm âm thanh cá nhân hóa trong các không gian công cộng. Ví dụ, các bảo tàng có thể cung cấp hướng dẫn âm thanh khác nhau cho từng du khách mà không cần sử dụng tai nghe, và các thư viện có thể giúp học sinh học bài với âm thanh mà không làm phiền người khác.
Trong ô tô, hành khách có thể thoải mái nghe nhạc mà không làm xao nhãng người lái xe trong việc nghe các chỉ dẫn điều hướng. Các văn phòng hay môi trường quân sự cũng có thể tận dụng khu vực âm thanh cục bộ cho những cuộc trò chuyện riêng tư và bí mật. Bên cạnh đó, công nghệ này còn có thể được điều chỉnh để loại bỏ tiếng ồn trong những khu vực cụ thể, tạo ra những không gian yên tĩnh, giúp cải thiện sự tập trung trong công việc hay giảm thiểu ô nhiễm tiếng ồn tại các thành phố.
Tuy nhiên, công nghệ này vẫn còn là một thử thách trong tương lai gần. Các vấn đề như biến dạng phi tuyến có thể ảnh hưởng đến chất lượng âm thanh, và hiệu quả năng lượng vẫn là một yếu tố quan trọng – việc chuyển đổi siêu âm thành âm thanh có thể nghe được yêu cầu một nguồn năng lượng mạnh mẽ và tiêu tốn nhiều năng lượng để tạo ra.
Mặc dù vẫn còn những thử thách, nhưng khu vực âm thanh có thể nghe được hứa hẹn sẽ mang đến một sự thay đổi lớn trong việc kiểm soát âm thanh. Bằng cách tái định nghĩa cách âm thanh tương tác với không gian, chúng ta đang mở ra những khả năng mới mẻ cho các trải nghiệm âm thanh hấp dẫn, hiệu quả và hoàn toàn cá nhân hóa.
Jiaxin Zhong, Penn State và Yun Jing, Penn State là những biên tập viên tại The Conversation. Bài viết được đăng trên The Conversation ngày 17/03/2025.
TheConversationlà một trang web chuyên cung cấp các bài viết, phân tích và bình luận về các vấn đề xã hội, khoa học, chính trị, kinh tế và các lĩnh vực khác từ các chuyên gia trong ngành. Nội dung trên trang web được viết bởi các học giả, nhà nghiên cứu, giáo sư và chuyên gia có chuyên môn sâu rộng về các chủ đề được thảo luận.
Biên dịch: Hà Linh
