Imagine poder escutar música ou um podcast sem a necessidade de fones de ouvido e sem perturbar as pessoas ao seu redor. Ou ainda, ter uma conversa particular em público sem que outros consigam ouvir.
Uma pesquisa recém-concluída apresenta um método para criar enclaves de áudio – zonas específicas de som que são isoladas do restante do ambiente. Em outras palavras, foi desenvolvida uma tecnologia que produz som exatamente onde ele é necessário.
A habilidade de dirigir um som que pode ser ouvido apenas em um determinado local tem o potencial de revolucionar o entretenimento, a comunicação e as experiências auditivas em três dimensões.
O que é som?
O som é uma vibração que se propaga pelo ar na forma de ondas. Essas ondas são geradas quando um objeto se move para frente e para trás, comprimindo e expandindo as moléculas do ar.
A frequência dessas vibrações determina o tom do som. Frequências mais baixas correspondem a tons graves, como o som de um bumbo, enquanto frequências mais altas se relacionam a sons agudos, como um apito.
Controlar a direção do som é difícil devido a um fenômeno conhecido como difração – a tendência das ondas sonoras se espalharem à medida que se movem. Este efeito é ainda mais pronunciado para sons de baixa frequência, que possuem comprimentos de onda mais longos, tornando quase impossível restringir o som a uma área específica.
Alguns dispositivos de áudio, como os alto-falantes de matriz paramétrica, conseguem criar feixes de som focados direcionados a uma determinada direção. No entanto, essas tecnologias ainda produzem som que é audível em todo o percurso que percorrem.
A ciência dos enclaves de áudio
Descobrimos uma abordagem inovadora para direcionar o som a um ouvinte determinado, utilizando feixes de ultrassom autoajustáveis e um conceito conhecido como acústica não linear.
Ultrassom refere-se a ondas sonoras que possuem frequências superiores ao limite da audição humana, ou seja, acima de 20 kHz. Essas ondas se movem pelo ar como ondas sonoras típicas, mas permanecem inaudíveis para o ser humano. Devido à sua capacidade de penetrar diversos materiais e interagir com objetos de maneiras específicas, o ultrassom é amplamente utilizado em diversas aplicações, como na medicina e na indústria.
No nosso estudo, empregamos ultrassom como um meio para transportar som audível. Essa abordagem permite que o som seja transportado silenciosamente pelo espaço, tornando-se perceptível somente quando desejado. Mas como realizamos isso?
As ondas sonoras, em geral, se combinam de maneira linear, o que significa que elas se somam proporcionalmente formando uma onda de maior amplitude. Contudo, quando as ondas sonoras alcançam intensidades elevadas, elas podem interagir de forma não linear, gerando novas frequências que não existiam anteriormente.
Esse é o truque por trás da nossa técnica: Utilizamos dois feixes de ultrassom em frequências distintas que são silenciosos individualmente. Entretanto, ao se cruzarem no espaço, efeitos não lineares fazem com que esses feixes produzam uma nova onda sonora em uma frequência que é audível somente naquela área específica.
Um aspecto crucial do processo é a capacidade de projetar feixes de ultrassom que possam se curvar. Normalmente, as ondas sonoras viajam em linha reta, a menos que sejam bloqueadas ou refletidas por algum objeto. Contudo, utilizando metassuperfícies acústicas, que são materiais especializados em manipular ondas sonoras, conseguimos moldar os feixes de ultrassom de forma que se curvem enquanto se deslocam.
Assim como uma lente óptica dobra a luz, as metassuperfícies acústicas modificam o trajeto das ondas sonoras. Ao controlar com precisão a fase das ondas ultrassônicas, conseguimos criar caminhos de som curvilíneos que contornam obstáculos e se encontram em um ponto específico.
Um fenômeno central nesse processo é o que designamos como geração de diferença de frequência. Quando dois feixes ultrassônicos de frequências ligeiramente diferentes, como 40 kHz e 39,5 kHz, se sobrepõem, eles geram uma nova onda sonora correspondente à diferença entre suas frequências – neste caso, 0,5 kHz, ou 500 Hz, que está claramente dentro da faixa auditiva humana. O som é percebido exclusivamente na zona onde os feixes se cruzam. Fora dessa área, as ondas de ultrassom permanecem silenciosas.
Isso implica que podemos direcionar áudio a um local ou pessoa específica sem incomodar os outros enquanto o som percorre seu caminho.
Avanços no controle do som
A capacidade de criar enclaves de áudio apresenta uma variedade de aplicações promissoras.
Esses enclaves podem facilitar a personalização do áudio em locais públicos. Por exemplo, museus poderiam oferecer diferentes guias de áudio para os visitantes sem o uso de fones, e bibliotecas poderiam permitir que alunos escutassem aulas em áudio sem perturbar as outras pessoas.
Dentro de um veículo, os passageiros poderiam desfrutar de música sem causar distrações ao motorista que está escutando instruções de navegação. Escritórios e ambientes militares também poderiam usufruir de zonas de conversa discretas para diálogos confidenciais. Além disso, os enclaves de áudio poderiam ser aplicados para anular ruídos em áreas específicas, criando zonas de silêncio que melhoram a concentração em ambientes de trabalho ou diminuem a poluição sonora nas cidades.
No entanto, isso não significa que essa tecnologia estará disponível em lojas em um futuro próximo. Por exemplo, ainda enfrentamos desafios em relação à nossa tecnologia. A distorção não linear pode comprometer a qualidade do som.
A eficiência energética também é uma preocupação – a conversão de ultrassom em som audível necessita de campos de alta intensidade, que podem exigir grandes quantidades de energia para serem gerados.
Apesar dessas dificuldades, os enclaves de áudio revelam uma mudança significativa no controle do som. Ao redefinir a forma como o som interage com o espaço, abrimos novas oportunidades para experiências auditivas imersivas, eficientes e personalizadas.
