通過 3D 打印超表面發射的超聲波束可以產生路人聽不見的局部聲音。該技術可用于創建私人語音區域以實現安全通信，或在公共空間和車輛中啟用個性化音頻空間。

無需耳機即可將聲音傳遞給特定聽眾的能力（稱為定向聲音）一直是音頻工程領域的一個長期研究領域。但要做到這一點通常需要大型和復雜的聲源，并且通常可以沿著波束的路徑聽到音頻信號。

賓夕法尼亞州立大學（Pennsylvania State University）的研究人員提出了一種新的方法，通過將緊湊的超聲波發射器陣列與特殊圖案化的2D結構相結合，解決了這些限制，該結構旨在縱波的特性。這種結構被稱為超表面，可產生人類聽不見的“自彎曲”超聲束，并且可以繞過障礙物。當其中兩個波束相交時，它們會以一種方式相互作用，在人類的可聽范圍內產生聲音，但僅限于幾厘米寬的地方，研究人員稱之為“可聽飛區”。

“關鍵的創新是聲音僅在兩個波束相交的地方產生，這使得可以將音頻傳送到精確的位置，同時保持波束本身的靜音，”賓夕法尼亞州立大學的博士后研究員、《美國國家科學院院刊》上一篇描述新方法的論文的主要作者 Jia-Xin Zhong 說。

以前的研究表明，可聽見的自彎曲光束可以繞過障礙物彎曲。但是，可聽聲音的長波長意味著聲源通常必須達到米級，并且有可能在波束路徑上的任何地方聽到信號。

賓夕法尼亞州立大學團隊想出了一種新技術，該技術依賴于人類無法聽到的超聲波束，并且可以使用更小的硬件產生。為了使光束自彎曲，他們 3D 打印了一個 16 x 8 厘米的網格形超表面，該超表面放置在超聲波發射器陣列的前面。其效果是精確控制輸出光束的相位。“這些超表面就像一個聲學透鏡，控制波前，使光束在傳播時彎曲，”Zhong 說。

他們證明，其中兩根光束可以圍繞假人的頭部彎曲，并在其臉前相交。當兩個聲波相互作用時，它們可以產生一個次級波，其頻率等于原始波之間的頻率差。通過使用一對 40 和 39.5 kHz 的光束，研究人員以 500 Hz 的頻率在假人頭部前方創造了一個幾厘米寬的聲音袋，這在可聽范圍內。

研究人員表明，通過改變其中一個波束的頻率，他們可以使用相同的超表面在可聽范圍內（從 125 Hz 到 4 kHz）的六個八度音程中生成音頻。雖然這些實驗涉及創建簡單的單頻音調，但研究人員還證明了這種方法適用于亨德爾的彌賽亞中的“哈利路亞合唱”的 9 秒爆發，該合唱在一系列頻率上波動。

相交超聲束

Zhong 說，當前方法的主要問題是，當兩個波束相互作用時，它會產生失真，使音頻信號變得模糊。然而，研究人員認為這可以使用新的信號處理技術來解決，包括使用可以學習補償失真的深度學習算法。

目前，自彎曲光束的軌跡是固定的，這意味著聲源的位置必須精確，以避免障礙物。Zhong 說，該小組希望最終創造出可以動態調整以避開不同物體的可重構光束。

“我們設想使用自適應處理算法來實時動態調整光束軌跡，使光束能夠根據環境反饋智能地繞過障礙物，”他說。“這將使該技術在障礙物可能移動或改變位置的實際應用中更加通用。”

鐘說，這項技術的潛在應用非常廣泛。這些可能包括在公共場所創建個性化音頻，例如在不需要耳機的博物館中進行語音導覽。他補充說，它可以讓車內的不同乘客在不干擾彼此體驗的情況下收聽單獨的音頻，或者為機密信息創建私人語音區。投影抵消現有聲場的音頻也可以允許局部降噪。