Ty Tkacik
Les mélomanes pourront un jour diffuser leurs artistes préférés à plein volume, sans casque, sans déranger le voisinage ou les collègues, grâce à des chercheurs de Penn State.
L’équipe a conçu un système capable de manipuler les ondes sonores pour qu’elles ne soient audibles qu’à un endroit précis, légèrement plus large qu’un pouce. Malgré ce point focal minuscule, leur système peut produire un audio de haute qualité, offrant potentiellement aux auditeurs une expérience sonore nette et privée.
Les ondes sonores se propagent traditionnellement vers l’extérieur depuis leur source, explique Jee Woo Kevin Kim, doctorant en acoustique et premier auteur de l’article. Les haut-parleurs à réseau paramétrique (PAL) utilisent des ondes ultrasonores de haute intensité pour concentrer le son audible en un faisceau étroit, semblable à un laser. Kim a affirmé que même si ces réseaux sont utilisés dans des espaces tels que les musées et les salles de diffusion pour transmettre le son de manière discrète, ils rencontrent des problèmes qui rendent leur application en dehors de ces environnements spécialisés difficile.
« Ces réseaux sont si directionnels qu’une fois que le faisceau sonore entre en contact avec une surface, le son peut se réfléchir dans toute la pièce, compromettant la vie privée », a déclaré Kim. « De plus, ils ont du mal à produire des fréquences graves, ce qui peut nuire à l’expérience d’écoute de musique riche en basses, par exemple. »
Yun Jing, professeur d’acoustique et auteur correspondant de l’article, a déclaré que les métasurfaces acoustiques peuvent résoudre ce problème clé. Les métasurfaces sont une classe de matériaux qui peuvent manipuler les ondes — y compris la lumière, le son, la chaleur et plus encore — avec seulement leurs structures fines. Jing a expliqué comment les métasurfaces acoustiques utilisées pour manipuler les ondes sonores peuvent être facilement imprimées en 3D, et ont été largement utilisées pour diriger des sons spécifiques, comme dans les haut-parleurs.
« Pour développer une métasurface acoustique, nous utilisons une grande surface qui fonctionne comme une lentille focalisant un faisceau lumineux », a déclaré Jing, qui possède également une affiliation en génie biomédical. « La surface module les ondes sonores de manière à ce qu’elles convergent en un point central après avoir quitté le haut-parleur, ce qui nous permet de concentrer l’audio dans une zone précise. »
Des travaux antérieurs du laboratoire de Jing ont courbé les ondes ultrasonores produites par deux haut-parleurs, créant une « enclave audible » privée d’environ 60 décibels, soit aussi fort qu’une conversation. Cependant, il a expliqué que cette approche nécessite plusieurs réseaux de PAL, et la génération de son audible à partir d’ultrasons est relativement inefficace.
La nouvelle métasurface de l’équipe peut focaliser passivement les ondes sonores, sans nécessiter de traitement complexe du signal ni d’électricité. Le cache imprimé en 3D peut diriger le son produit par les haut-parleurs dans une « bulle » serrée qui n’est audible que dans un espace légèrement plus large qu’un pouce et moins d’un quart de pouce de haut — environ la taille d’un bâton de chewing-gum.
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« Grâce à cette conception, notre point focal est fixe dans l’espace, mais la nature passive des composants nous permet de réduire considérablement le coût de fabrication et de mise en œuvre de la métasurface acoustique », a expliqué Jing.
Pour tester leur conception, l’équipe a simulé et vérifié les performances de la lentille métasurface avant d’imprimer en 3D le composant. Ils ont ensuite appliqué la métasurface circulaire à une série de PAL assemblés en réseau, ce qui a généré un point focal à environ quatre pouces du haut-parleur. L’équipe a joué de la musique électronique riche en basses, en déplaçant lentement un microphone à l’intérieur et à l’extérieur du point focal pour tester la qualité audio et le confinement du son.
Lorsqu’il se trouvait dans le point focal, le microphone enregistrait un audio clair et de haute qualité. Cependant, déplacer le microphone de seulement deux pouces — moins que la largeur d’une carte de crédit — hors du point focal réduisait considérablement le volume, jusqu’à 50 décibels.
De plus, l’audio produit par les PAL utilisant les métasurfaces acoustiques de l’équipe a démontré une qualité sonore impressionnante sur les fréquences hautes et basses, ce qui a toujours été difficile à focaliser en un point focal. Les tests ont montré que les PAL pouvaient projeter efficacement des fréquences aussi basses que 38 Hz, proches de la plage la plus grave de l’audition humaine, ce qui nécessite traditionnellement des subwoofers volumineux. Selon Kim, cela pourrait être une étape majeure dans la production de systèmes de haut-parleurs plus petits tout en maintenant la qualité sonore.
« La métasurface acoustique a un diamètre d’environ six pouces — à peu près la taille d’une petite assiette — et peut être appliquée directement sur la surface de n’importe quel PAL », a déclaré Kim. « Nous pensons que cela présente un grand potentiel commercial, car les entreprises n’auraient besoin que d’une imprimante 3D ou d’un moule en plastique pour produire en masse ces composants. »
L’équipe a déclaré qu’elle pense que la technologie pourrait être utile partout où une écoute personnalisée et privée serait bénéfique, comme aux guichets automatiques, aux terminaux de billetterie, aux présentoirs de vente au détail et dans les véhicules, pour permettre à plusieurs personnes d’écouter différents flux audio privés.
Article : Audible Focal Spot Generation via a Metasurface-enabled Parametric Array Loudspeaker – Méthode : Experimental study – DOI : Lien vers l’étude
Source : PSU
