Он «слышит» звуки, наблюдая за вибрациями, которые они производят на объектах
Звук распространяется волнами вибрирующих молекул воздуха, которые сталкиваются друг с другом. Микрофоны работают, улавливая эти вибрации. Ученые задавались вопросом, могут ли они создать микрофоны, которые будут видеть эти вибрации, а не слышать их. Теперь исследователи в Китае создали такое устройство.
Пояснение: Что такое волны и их длины
Новый гаджет фотографирует крошечные возмущения, возникающие в результате того, что звуковые волны слегка сотрясают поверхность объекта. Затем компьютер преобразует эти изображения обратно в звук. Это означает, что микрофон может работать даже тогда, когда он не способен “слышать”, например, когда стеклянный барьер гасит или блокирует звуковые волны.“Это многообещающая технология для обнаружения слабых звуковых сигналов”, — говорит Варун Рагхунатан. Он инженер-оптик из Индийского научного института в Бангалоре. Он не работал над новой технологией. Но когда-нибудь ее можно будет использовать в приложениях для охраны окружающей среды, промышленности и мониторинга безопасности, говорит он.
Прослушивание без слуха
Это далеко не первая попытка создать микрофон, работающий со светом. Александр Грэхем Белл, изобретатель телефона, построил его еще в 1880 году. Он назвал его фотофоном. Он передавал звук в луче света.
Звук распространяется подобно тому, как воздух передает колебания от одной молекулы к другой, пока они не достигают наших барабанных перепонок. Когда звуковые волны ударяются о предметы, такие как лист или пластина стекла, они заставляют вибрировать и эти поверхности. Движения слишком малы, чтобы мы могли их увидеть. Тем не менее, их можно измерить.
Пояснение: Как работают уши
Вот что сделал фотофон. Он направлял голос говорящего на обратную сторону гибкого зеркала. Когда кто-то говорил, звуки сотрясали воздух. Эти возмущения, в свою очередь, заставляли зеркало изгибаться вперед и назад. Это поочередно превращало поверхность зеркала в вогнутую и выпуклую формы. И это изгибание изменило способ отражения света от него.
В том месте, где находился слушатель, свет пульсировал с каждым произнесенным словом. Пульсирующий свет направлялся на набор металлических решеток, которые превращали свет обратно в звук.Сначала устройство могло передавать звук по всей комнате. В ходе более позднего тестирования фотофон передавал звук из одного здания в другое на расстоянии около 200 метров (660 футов).Современные телефоны используют тот же принцип, что и фотофон. Они полагаются на электричество, а не на свет.
Улавливание звука по одному пикселю за раз
Совсем недавно усилия по созданию оптических микрофонов зависели от высокоскоростных камер или точно управляемого луча лазера света одного цвета (длины волны). Такие установки, как правило, являются сложными и дорогостоящими.
Группа исследователей из Китая в настоящее время использует другой подход: однопиксельную визуализацию.“Изображение состоит из множества точек разного цвета и интенсивности”, — объясняет Сюй-Ри Яо. Физик, он руководил этой работой в Пекинском технологическом институте. “Когда мы используем камеру для съемки изображения, — говорит Яо, — многочисленные фотоэлектрические датчики регистрируют интенсивность каждой точки. Такие фотоэлектрические датчики называются пикселями”.
Камеры обычно имеют множество таких датчиков, расположенных на плоской поверхности. Интенсивность света на этих датчиках объединяется и отображается в виде изображения.
В отличие от этого, для получения однопиксельных изображений используется только один датчик. При этом данные для изображения собираются путем выполнения измерений во время сканирования сцены. Затем компьютеры собирают все эти данные, чтобы воссоздать изображение.
У вас есть научный вопрос? Мы можем помочь!
Отправьте свой вопрос здесь, и мы, возможно, ответим на него в следующем выпуске научных новостей.
Таким образом, команда Яо сможет узнать, как звуковые волны слегка встряхивали бумажную карточку или лист. Затем компьютер преобразовал эти данные в слышимый звук.
Устройство успешно записало китайское и английское произношение цифр. Оно также расшифровало отрывок из известного музыкального произведения Бетховена «К Элизе».“Этот метод позволяет обнаруживать звуки с помощью повседневных предметов, таких как бумажные открытки и листья, при естественном освещении”, — говорит Яо. Более того, при этом создается относительно небольшой объем данных. Это упрощает их загрузку для хранения или выгрузки в Интернет.
Заглядывая в будущее
Устройство может улавливать вибрации при слабом звуке. Но пока это работает только в лаборатории.
Группа Яо также работает над тем, чтобы сделать свое устройство более чувствительным и точным. Пока что оно может улавливать звук с расстояния примерно в полметра (1,6 фута). Ученые надеются увеличить это расстояние. Они также стремятся сделать микрофон меньше и портативнее — “устройство, которое обычные люди могли бы удобно носить с собой”.
Исследователи подозревают, что одним из применений может быть прослушивание пульса человека и частоты сердечных сокращений. По словам Яо, команда занимается точной настройкой способности микрофона измерять пульс.
Обнаружение звука в условиях повышенного шума или интенсивного движения остается ключевой задачей, говорит Яо. Для этого потребуются более совершенные компьютерные алгоритмы, а также улучшенное аппаратное обеспечение и обширные полевые испытания. Но если они увенчаются успехом, по его словам, эта технология может оказаться “стабильной, практичной и широко применимой в реальных сценариях”.
