Liệu bạn có thể nghe nhạc hoặc podcast mà không cần tai nghe hay tai nghe không dây và không làm phiền ai xung quanh bạn? Hoặc bạn trò chuyện riêng tư nơi công cộng mà không ai khác nghe thấy bạn?
Chuyện tưởng chừng như không thể đang trở thành hiện thực, theo một nghiên cứu vừa được công bố, giới thiệu một cách tạo ra những khu vực âm thanh địa phương tách biệt khỏi môi trường xung quanh. Nói cách khác, các nhà khoa học đã phát triển một công nghệ có thể tạo ra âm thanh chính xác ở nơi nó cần phải đến.
Âm thanh là một rung động lan truyền qua không khí dưới dạng sóng. Những sóng này được tạo ra khi một vật di chuyển qua lại, nén và giãn nở các phân tử không khí.
Tần số của những rung động này quyết định âm sắc. Tần số thấp tương ứng với âm thanh sâu, như trống bass; tần số cao tương ứng với âm thanh sắc, như tiếng huýt sáo.
Kiểm soát hướng đi của âm thanh là điều khó khăn do hiện tượng nhiễu – xu hướng của sóng âm lan tỏa khi chúng di chuyển. Hiệu ứng này đặc biệt mạnh đối với âm thanh tần số thấp vì chiều dài sóng của chúng dài hơn, làm cho việc giữ âm thanh trong một khu vực cụ thể gần như không thể.
Một số công nghệ âm thanh nhất định, như loa mảng tham số (parametric array loudspeakers), có thể tạo ra các chùm âm thanh tập trung hướng về một phía cụ thể. Tuy nhiên, những công nghệ này vẫn phát ra âm thanh có thể nghe thấy dọc theo toàn bộ đường đi của nó khi di chuyển qua không gian.
Khoa học về các khu vực âm thanh riêng
Các nhà khoa học đã tìm ra một cách mới để gửi âm thanh đến một người nghe cụ thể: thông qua các chùm siêu âm tự bẻ cong (self-bending ultrasound beams) và một khái niệm gọi là âm học phi tuyến (nonlinear acoustics), theo bài viết của Jiaxin Zhong, nghiên cứu sinh sau tiến sĩ về Âm học tại Đại học Penn State, và Yun Jing là Giáo sư Âm học tại Đại học Penn State.
Siêu âm đề cập đến các sóng âm có tần số vượt quá phạm vi nghe của con người, hoặc trên 20 kHz. Những sóng này 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 được sử dụng rộng rãi trong hình ảnh y tế và nhiều ứng dụng công nghiệp.
“Trong công việc của chúng tôi (tại Đại học Penn State), chúng tôi đã sử dụng siêu âm như một phương tiện cho âm thanh có thể nghe được. Nó có thể chuyển âm thanh qua không gian một cách im lặng – chỉ trở nên nghe thấy khi cần thiết,” hai tác giả cho biết.
Thông thường, sóng âm kết hợp theo cách tuyến tính, có nghĩa là chúng chỉ cộng dồn một cách tỷ lệ vào một sóng lớn hơn. Tuy nhiên, khi sóng âm đủ mạnh, chúng có thể tương tác phi tuyến, tạo ra các tần số mới mà trước đây không có.
“Đây là chìa khóa cho kỹ thuật của chúng tôi: Chúng tôi sử dụng hai chùm siêu âm ở các tần số khác nhau mà hoàn toàn yên tĩnh khi ở riêng lẻ. Nhưng khi chúng giao nhau trong không gian, các hiệu ứng phi tuyến khiến chúng tạo ra một sóng âm mới ở tần số có thể nghe được chỉ ở khu vực cụ thể đó,” theo bài viết.
Quan trọng là, các nhà khoa học đã thiết kế các chùm siêu âm có thể tự bẻ cong. Thông thường, sóng âm di chuyển theo đường thẳng trừ khi có điều gì đó chặn hoặc phản xạ chúng. Tuy nhiên, bằng cách sử dụng các bề mặt âm học (acoustic metasurfaces) – các vật liệu chuyên biệt có thể điều chỉnh sóng âm – họ có thể định hình các chùm siêu âm để bẻ cong khi chúng di chuyển. Giống như cách mà một thấu kính quang học bẻ cong ánh sáng, các bề mặt âm học thay đổi hình dạng của đường đi của sóng âm. Bằng cách kiểm soát chính xác pha của các sóng siêu âm, cá nhà khoa học tạo ra các đường đi âm thanh cong có thể vượt qua các trở ngại và gặp nhau tại một vị trí mục tiêu cụ thể.
Hiện tượng quan trọng đang diễn ra là cái được gọi là tạo ra tần số khác biệt. Khi hai chùm siêu âm có tần số hơi khác nhau, chẳng hạn như 40 kHz và 39,5 kHz, chồng chéo lên nhau, chúng tạo ra một sóng âm mới tại điểm khác biệt giữa các tần số của chúng – trong trường hợp này là 0,5 kHz, hay 500 Hz, nằm trong phạm vi nghe của con người. Âm thanh chỉ có thể nghe thấy ở nơi các chùm giao nhau. Ngoài điểm giao nhau đó, các sóng siêu âm vẫn im lặng.
Điều này có nghĩa là bạn có thể truyền âm thanh đến một vị trí hoặc một người cụ thể mà không làm phiền những người khác khi âm thanh di chuyển.
Tiến bộ trong kiểm soát âm thanh
Khả năng tạo ra các khu vực âm thanh có nhiều ứng dụng tiềm năng.
Các khu vực âm thanh có thể cho phép âm thanh cá nhân hóa trong các không gian công cộng. Ví dụ, các bảo tàng có thể cung cấp các hướng dẫn âm thanh khác nhau cho du khách mà không cần tai nghe, và các thư viện có thể cho phép sinh viên học tập với các bài học âm thanh mà không làm phiền người khác.
Trong ô tô, hành khách có thể nghe nhạc mà không làm xao nhãng tài xế khỏi việc nghe chỉ dẫn giao thông. Các văn phòng và môi trường quân đội cũng có thể hưởng lợi từ các khu vực âm thanh địa phương cho các cuộc trò chuyện bảo mật. Các khu vực âm thanh cũng có thể được điều chỉnh để triệt tiêu tiếng ồn ở những khu vực xác định, tạo ra các khu vực yên tĩnh để cải thiện sự tập trung trong nơi làm việc hoặc giảm ô nhiễm tiếng ồn trong thành phố.
Đây không phải là thứ sẽ có sẵn ngay lập tức trong tương lai gần. Ví dụ, vẫn còn những thách thức cho công nghệ này. Biến dạng phi tuyến có thể ảnh hưởng đến chất lượng âm thanh. Và hiệu quả năng lượng là một vấn đề khác – việc chuyển đổi siêu âm thành âm thanh có thể nghe được yêu cầu các trường năng lượng cao, điều này có thể tiêu tốn nhiều năng lượng để tạo ra.
Mặc dù còn nhiều trở ngại, các khu vực âm thanh đại diện cho một bước chuyển biến căn bản trong kiểm soát âm thanh. Bằng cách định nghĩa lại cách âm thanh tương tác với không gian, các nhà khoa học mở ra những khả năng mới cho trải nghiệm âm thanh sống động, hiệu quả và cá nhân hóa.
Các nhà khoa học đã phát triển một công nghệ có thể tạo ra âm thanh chính xác ở nơi nó cần phải đến. Ảnh: IStock
