Ultradźwięki mogą utworzyć w powietrzu bardzo wąską wiązkę słyszalnego dźwięku
Zwykły głośnik ma trudność z wysyłaniem słyszalnego dźwięku w bardzo wąskim stożku, zwłaszcza przy niskich częstotliwościach. Istnieje jednak nieintuicyjne obejście: można wyemitować silnie kierunkową, modulowaną wiązkę ultradźwięków. Powietrze nie jest idealnie liniowym ośrodkiem; przy odpowiednio dużej amplitudzie jego nieliniowość powoduje powstawanie nowych składowych częstotliwości, w tym słyszalnego sygnału odpowiadającego modulacji. Taki „głośnik parametryczny” może tworzyć znacznie węższą strefę odsłuchu niż typowy głośnik emitujący te same słyszalne częstotliwości bezpośrednio.
Dlaczego ultradźwięki łatwo kierować
Dyfrakcja zależy od relacji pomiędzy rozmiarem źródła a długością fali. Dla bardzo wysokich częstotliwości ultradźwiękowych długość fali w powietrzu jest mała, więc nawet przetwornik o rozsądnym rozmiarze może tworzyć stosunkowo wąską wiązkę. Gdybyśmy próbowali uzyskać równie wąski promień bezpośrednio dla kilkuset herców, potrzebowalibyśmy znacznie większego układu. Parametryczna macierz wykorzystuje więc kierunkowość wysokiej częstotliwości jako nośnik dla informacji, którą chcemy usłyszeć.
Powietrze wykonuje część „demodulacji”
W idealnie liniowym ośrodku fale o różnych częstotliwościach po prostu by się nałożyły i nic nowego by nie powstało. Rzeczywiste powietrze ma jednak niewielką nieliniowość: przy dostatecznie silnym polu związek między ciśnieniem a odpowiedzią ośrodka nie jest doskonale proporcjonalny. Modulowana fala ultradźwiękowa podczas propagacji generuje składowe sumacyjne i różnicowe. Odpowiednio zaprojektowany sygnał może więc wytworzyć słyszalne częstotliwości wzdłuż drogi wiązki.
Kierunkowość ma swoją cenę
Technologia nie jest po prostu „laserem dźwiękowym”. Sprawność konwersji jest ograniczona, potrzebne są odpowiednio wysokie poziomy ultradźwięków, a nieliniowy proces generuje zniekształcenia, które trzeba redukować przez przetwarzanie sygnału. Charakterystyka słyszalnego pasma i poziom wytwarzanego dźwięku zależą od parametrów przetworników, modulacji, odległości i warunków atmosferycznych. Inżynierowie projektują więc zarówno część ultradźwiękową, jak i specjalne algorytmy predystorsji.
Po co komu tak wąski dźwięk
Kierunkowe źródła można wykorzystywać tam, gdzie informacja ma trafić tylko do ograniczonej strefy: przy ekspozycji muzealnej, stanowisku reklamowym, interaktywnym ekranie lub w eksperymentalnych interfejsach. Odbiorca stojący w osi wiązki słyszy treść wyraźniej niż osoba kilka metrów obok. Zjawisko pokazuje coś głębszego: nieliniowość ośrodka, zwykle traktowana jako źródło zniekształceń, może zostać celowo wykorzystana jako element przetwarzania i kształtowania fali.
Słyszalny dźwięk powstaje stopniowo wzdłuż wiązki
W parametrycznym źródle nieliniowa interakcja nie zachodzi tylko na powierzchni przetwornika. Modulowana fala ultradźwiękowa propaguje się, a w kolejnych porcjach powietrza generowane są składowe różnicowe. Dlatego efektywne źródło słyszalnego dźwięku jest rozłożone wzdłuż wiązki, co wpływa na jej kierunkowość i zależność od odległości. Odbiorca może mieć wrażenie, że dźwięk pochodzi z wąskiego obszaru lub nawet z powierzchni, na którą skierowano wiązkę, choć fizyczny proces jest bardziej rozciągnięty.
Odbicie od ściany może stworzyć pozorne źródło
Jeśli silnie kierunkową wiązkę skieruje się na twardą powierzchnię, część energii zostaje odbita. W odpowiedniej geometrii słuchacz może wtedy lokalizować słyszalny sygnał w pobliżu punktu odbicia, podobnie jak światło odbite od lustra wskazuje pozorne źródło. To bywa wykorzystywane w instalacjach kierunkowych, ale wymaga ostrożności: rozpraszanie zależy od chropowatości ściany i częstotliwości, a poziomy ultradźwięków również podlegają ograniczeniom bezpieczeństwa i konstrukcji urządzenia.
Nieliniowość rośnie wraz z amplitudą fali
Przy bardzo małych zaburzeniach równania akustyki można liniaryzować i fale przechodzą przez siebie praktycznie niezależnie. Parametryczna macierz celowo pracuje w zakresie, w którym drobne poprawki nieliniowe przestają być zaniedbywalne po odpowiedniej drodze propagacji. To interesująca zmiana perspektywy: efekt, który w klasycznym audio nazywalibyśmy zniekształceniem, staje się tu mechanizmem generowania użytecznego sygnału.