Pri počúvaní hudby nepočujeme len tóny produkované nástrojmi, ale sme ponorení aj do jej ozvien z okolia. Zvukové vlny sa odrážajú od stien a predmetov okolo nás a vytvárajú charakteristický zvukový efekt – špecifické akustické pole. To vysvetľuje, prečo rovnaká hudba znie veľmi odlišne, keď sa hrá v starom kostole alebo v modernej betónovej budove.
Túto skutočnosť architekti dlhodobo zúročujú pri výstavbe napr. koncertných sál. Tento princíp sa však dá aplikovať ja inde: podzemné objekty je možné vizualizovať meraním toho, ako sa odrazia zvukové vlny zo známeho zdroja.
Aktívna a pasívna manipulácia akustickým poľom
Niektorí vedci chcú ísť ešte o krok ďalej a systematicky manipulovať s akustickým poľom, aby dosiahli efekt, ktorý by sám o sebe v reálnom živote nemal existovať. Napríklad sa pokúšajú vytvoriť iluzórny zvukový zážitok, ktorý poslucháča oklame, aby uveril, že sa nachádza v betónovej budove alebo v starom kostole. Prípadne možno predmety zneviditeľniť manipuláciou s akustickým poľom tak, že ich poslucháč prestane vnímať.
Požadovaná ilúzia sa zvyčajne spolieha na použitie pasívnych metód, ktoré zahŕňajú štruktúrovanie povrchov pomocou toho, čo poznáme pod pojmom metamateriály. Jedným zo spôsobov, ako akusticky skryť predmet, je potiahnuť jeho povrch a zabrániť mu odrážať akékoľvek zvukové vlny. Tento prístup je však nepružný a zvyčajne funguje len v obmedzenom frekvenčnom rozsahu, čo ho robí nevhodným.
Aktívne metódy sa snažia dosiahnuť ilúziu prekrytím ďalšej vrstvy zvukových vĺn. Inými slovami, pridaním druhého signálu k počiatočnému akustickému poľu. Doteraz však bol rozsah použitia tohto prístupu obmedzený, pretože funguje iba vtedy, ak je možné s určitou istotou predpovedať počiatočné pole.
Ilúzia v reálnom čase
Skupina vedená Johanom Robertssonom, profesorom aplikovanej geofyziky na ETH Zurich, spolupracovala s vedcami z University of Edinburgh na vývoji nového konceptu, ktorý výrazne zlepšuje aktívnu ilúziu. Pod vedením Theodora Beckera, postdoktoranda v Robertssonovej skupine, a Dirk-Jan van Manena, vedca, ktorý bol nápomocný pri navrhovaní experimentov, sa výskumníkom podarilo rozšíriť počiatočné pole v reálnom čase, uvádza časopis Science Advances. V dôsledku toho môžu predmety zmiznúť a môžu sa “tváriť”, že neexistujú.
Na dosiahnutie špeciálnych akustických efektov výskumníci nainštalovali veľké testovacie zariadenie pre projekt v Centre pre experimentovanie s ponornými vlnami vo Švajčiarskom inovačnom parku Zurich v Dübendorfe. Konkrétne im toto zariadenie umožňuje maskovať existenciu objektu s veľkosťou približne 12 centimetrov alebo simulovať imaginárny objekt rovnakej veľkosti.
Cieľový objekt je uzavretý vo vonkajšom kruhu mikrofónov ako riadiacich senzorov a vo vnútornom kruhu reproduktorov ako riadiacich zdrojov. Riadiace senzory registrujú, ktoré vonkajšie akustické signály sa dostanú k objektu z počiatočného poľa. Na základe týchto meraní potom počítač vypočíta, aké sekundárne zvuky musia produkovať riadiace zdroje, aby sa dosiahlo požadované zväčšenie počiatočného poľa.
Sofistikovaná technológia
Na maskovanie objektu vydávajú riadiace zdroje signál, ktorý úplne vymaže zvukové vlny odrazené od objektu. Na rozdiel od toho, na simuláciu objektu (poznáme pod pojmom holografia), kontrolné zdroje zväčšujú počiatočné akustické pole, ako keby sa zvukové vlny odrážali od objektu v strede dvoch prstencov.
Aby toto rozšírenie fungovalo, musia byť dáta namerané riadiacimi senzormi okamžite transformované na inštrukcie pre riadiace zdroje. Na ovládanie systému preto výskumníci používajú programovateľné hradlové polia (FPGA) s extrémne krátkou dobou odozvy.
„Naše zariadenie nám umožňuje manipulovať s akustickým poľom vo frekvenčnom rozsahu viac ako tri a pol oktávy,“ hovorí Robertsson. Maximálna frekvencia pre maskovanie je 8 700 Hz a 5 900 Hz pre simuláciu. Doteraz boli vedci schopní manipulovať s akustickým poľom na povrchu v dvoch rozmeroch. Ako ďalší krok chcú proces zväčšiť na tri rozmery a rozšíriť jeho funkčný rozsah. Systém v súčasnosti zosilňuje zvukové vlny prenášané vzduchom. Robertsson však vysvetľuje, že nový proces by mohol vytvárať akustické ilúzie aj pod vodou. Predpokladá široké spektrum potenciálnych použití v rôznych oblastiach, ako sú senzorové technológie, architektúra a komunikácia, ako aj v sektore vzdelávania.
Nová technológia je veľmi dôležitá aj pre vedy o Zemi. „V laboratóriu používame ultrazvukové vlny s frekvenciou nad 100 kHz na určenie akustických vlastností minerálov. Naproti tomu, v teréne študujeme podzemné štruktúry so seizmickými vlnami s frekvenciou menšou ako 100 Hz,“ hovorí Robertsson. „Nový proces nám umožní pomôcť preklenúť túto ‚mŕtvu zónu‘.“
Zdroj:
ETH Zürich. „Akustické ilúzie.“ ScienceDaily. ScienceDaily, 10. september 2021. www.sciencedaily.com/releases/2021/09/210910172804.htm.