تصور کنید بدون نیاز به هدفون، موسیقی یا پادکست مورد علاقه‌تان را بشنوید، درحالی‌که دیگران در اطراف شما هیچ صدایی نشوند. یا در یک محیط شلوغ، مکالمه‌ای خصوصی داشته باشید که تنها شنونده‌ی مورد نظر شما بتواند آن را بشنود. این سناریو اکنون با توسعه‌ی فناوری جدیدی به نام «محدوده‌های صوتی» در آستانه‌ی تحقق قرار گرفته است؛ فناوری که امکان ایجاد حباب‌های صوتی ایزوله را فراهم می‌کند.
هدایت صدا به یک مکان خاص به دلیل رفتار ذاتی امواج صوتی، همواره دشوار بوده است. هنگامی که ارتعاشات صوتی در هوا حرکت می‌کنند، به‌ویژه در فرکانس‌های پایین، پدیده‌ای به نام پراش (Diffraction) باعث می‌شود که صدا در فضا پخش شود. این مسئله به‌ویژه در مورد صداهای دارای فرکانس پایین، مانند صداهای بم، چالش‌برانگیزتر است.
تاکنون تجهیزات پیشرفتهای مانند بلندگوهای آرایه‌ای پارامتریک (Parametric Array Speakers) برای هدایت امواج صوتی به کار گرفته شده‌اند. اما این فناوری‌ها نیز نمی‌توانند صدا را کاملاً محدود به یک نقطه خاص کنند؛ هر فردی که در مسیر انتشار موج قرار گیرد، صدا را خواهد شنید.
خلق صدا در نقطه تلاقی پرتوهای اولتراسونیک
پژوهشگران دانشگاه پنسیلوانیا و آزمایشگاه ملی لاورنس لیورمور، برای حل این مشکل از امواج اولتراسونیک (فراصوتی) و آکوستیک غیرخطی استفاده کرده‌اند. آنها موفق شده‌اند امواج صوتی را به گونه‌ای خم کنند که تنها در یک نقطه مشخص، ارتعاشات صوتی قابل شنیدن ایجاد شود.
امواج فراصوتی با فرکانس ۲۰ کیلوهرتز و بالاتر، فراتر از محدوده‌ی شنوایی انسان قرار دارند. بااین‌حال، همانند امواج صوتی معمولی رفتار می‌کنند و می‌توان آنها را به شکل دلخواه دستکاری کرد. محققان از این ویژگی بهره برده‌اند و از امواج فراصوتی به عنوان یک حامل نامرئی برای انتقال صداهای قابل شنیدن استفاده کرده‌اند.
این فناوری بر پایه‌ی پدیده‌ای به نام «تولید فرکانس تفاضلی» (Difference Frequency Generation) کار می‌کند. پژوهشگران دو پرتو فراصوتی را با فرکانس‌های کمی متفاوت منتشر کرده‌اند. هنگامی که این پرتوها در یک نقطه مشخص تلاقی می‌کنند، اختلاف فرکانس آنها به صورت یک موج صوتی در محدوده‌ی شنوایی انسان ظاهر می‌شود.
به گفته‌ی نویسندگان این پژوهش:
«وقتی دو پرتو اولتراسونیک با فرکانس‌های ۴۰ کیلوهرتز و ۳۹.۵ کیلوهرتز با یکدیگر همپوشانی پیدا کنند، موج صوتی جدیدی با فرکانس ۵۰۰ هرتز (۰.۵ کیلوهرتز) ایجاد می‌شود که کاملاً در محدوده‌ی شنوایی انسان قرار دارد. این صدا فقط در محل تقاطع این دو پرتو قابل شنیدن است و در خارج از آن نقطه، امواج همچنان بی‌صدا باقی می‌مانند.»
یکی از پیشرفتهای کلیدی این فناوری، توانایی خم کردن امواج اولتراسونیک برای هدایت آنها به نقاط دلخواه است. محققان با استفاده از فراسطوح آکوستیکی (Acoustic Metasurfaces)، توانسته‌اند مسیر حرکت این امواج را تغییر دهند، به طوری که امواج به‌صورت منحنی حرکت کرده و موانع را دور بزنند.
به‌طور معمول، امواج صوتی در مسیر مستقیم حرکت می‌کنند، مگر اینکه توسط یک مانع بازتاب شوند. اما ما با بهره‌گیری از فراسطوح آکوستیکی؛ موادی ویژه که قابلیت دستکاری امواج صوتی را دارند، پژوهشگرها موفق شده‌اند پرتوهای اولتراسونیک را خم کنند. این فراسطوح عملکردی مشابه لنزهای نوری دارند که مسیر نور را تغییر می‌دهند. آنها با کنترل دقیق فاز امواج، مسیرهای صوتی منحنی ایجاد کرده‌اند که می‌توانند از موانع عبور کرده و در یک نقطه‌ی مشخص به هم برسند.
این فناوری کاربردهای متنوعی دارد. از جمله:
- حذف نیاز به هدفون در موقعیت‌های مختلف ؛ مثلاً در موزه‌ها، بازدیدکنندگان می‌توانند راهنمای صوتی اختصاصی خود را بشنوند بدون اینکه دیگران مزاحمتی حس کنند.
- سرگرمی‌های داخل خودرو ؛ سرنشینان می‌توانند بدون تداخل با فرمان‌های صوتی راننده، به موسیقی دلخواه خود گوش دهند.
- ارتباطات امن در محیط‌های نظامی و سازمانی ؛ صدا تنها در نقطه‌ی مشخصی دریافت می‌شود و احتمال شنود کاهش می‌یابد.
با این حال، پژوهشگران تأکید دارند که این فناوری هنوز در مراحل اولیه توسعه قرار دارد. چالش‌هایی مانند تحریف‌های غیرخطی در کیفیت صدا و مصرف بالای انرژی برای ایجاد میدان‌های اولتراسونیک قوی همچنان نیازمند بهینه‌سازی هستند. آنها در حال کار بر روی این مشکلات هستند تا حوزه‌های صوتی را به فناوری کاربردی، کم‌مصرف و و نهایتاً تجاری تبدیل کنند که توسط علاقمندان قابل تهیه باشد.
