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声学

声学

用声音制作图像

16 Jun 2020
从6月2020年的问题中获取 物理世界。物理研究所成员可以享受全部问题 通过这一点 物理世界 app.

使用声学升压颗粒创建的浮动视觉显示可能导致唱歌头的画廊,并在非接触式制造中进展。 迈克尔艾伦 investigates

在布里斯托尔大学徘徊的3D图像
(礼貌:Tatsuki Fushimi)

徘徊3D图像是科幻小说。只是想到R2D2投射来自莱娅公主的消息 星球大战或者也许是钢铁侠在奇迹电影中设计他的最新技术。经典喜欢 银翼杀手回到未来 甚至让他们在拍摄的背景中作为巨大的广告。但在英国布里斯托大学的法拉第笼中,在一些扬声器和聚苯乙烯球的帮助下,小说正在成为现实。

当我进入那个是那部分的窗口盒子 超声波和非破坏性测试实验室,感觉就像我走进运输容器一样。研究助理 Tatsuki Fushimi. (自从日本侦察到筑波大学以来)解释说,他在这里工作不是因为他需要阻止电磁场 - 这就是法拉第笼通常用于的东西 - 但由于在密封箱内削减了剪辑这可能会从空气中敲出他的聚苯乙烯球。

然后,Fushimi向我展示了我们所熟悉的:30个微型扬声器的两个水平网格,间隔大约20厘米,彼此面对。 10毫米直径的扬声器与汽车停车传感器中使用的超声波发射器和接收器相同。 “你可以从 - 也许不是亚马逊 - 但来自正常的电子商店,”Fushimi说。在打开笔记本电脑后,他拿起一个微小的聚苯乙烯球,将其放在两个换能器阵列之间并让它走到。球只是在那里保持悬停,悬浮在中空中。

它从拖拉机梁开始

Bristol的小组,以及 InterAct Lab. 在英国苏塞克斯大学,是在“声学悬浮”的新领域的最前沿 - 基本上使用声音来抵消引力与声波的压力来抬起物体。 2015年,两组之间的合作推出了一种称为声波拖拉机梁的设备,可以浮现物体并旋转并在多个方向上移动它们(自然通话。 6 8661)。虽然之前已经证明了类似类型的悬浮,但之前尝试所需的粒子被所有人的扬声器包围,或者至少是最多的方向。与此新设备的差异是它只使用了一个64个扬声器阵列,以40 kHz运行。

multiple photos of a levitating polystyrene bead

由可编程的换能器控制,扬声器的网格产生了从高压超声波中产生的声学形状,可以围绕和捕获中空的物体并进行调节以旋转和移动它们。研究人员用Sonic Tractor Bea梁创造了三种不同的声学形状:镊子,螺纹在其核心上捕获物体的涡流和笼子。在每种情况下,他们证明它们可以控制直径约为0.5至3mm的聚苯乙烯颗粒。

从那时起,该领域已经通过各种创新进行了进展。例如,在2018年,Interact实验室的团队组合了一个更大的256个扬声器数组 声学超材料 - 具有通常不自然发生的结构性质的工程材料 - 围绕障碍物围绕障碍物的声音,并在另一侧浮动和操纵物体。这个设备被命名 声音 (uist'18 10.1145 / 3242587.3242590)。

然后在2018年, Bruce Drinkwater.,布里斯托尔集团超声波教授,和 玛佐阿斯,谁现在位于西班牙纳瓦尔公共大学,推出了一种声学悬浮装置,其使用两个256个扬声器阵列,同时浮动,单独操纵多达25个聚苯乙烯球(直径1-3mm)(pnas. 116 84)。创建和调整多个声学陷阱的能力同时打开了Sonic拖拉机梁的新可能应用。

Soundbender

愿景的持久性

Bristol研究人员的早期想法是通过使用诸如像素的像素的多个悬浮和照明的聚苯乙烯珠子来创造中空,全息图类似的视觉显示。但他们发现这种方法并没有工作和希望。创建的图形差而粗糙,因为珠子必须至少是波长(约1cm)。并且使用的粒子越多,可以单独操纵它们的功率越小。

因此,团队提出了另一个想法:用高速行驶的单一声学悬浮和照明球追踪图像。基本上,如果快速且精确地移动照明粒子,您可以创建图片的幻觉。这一切都由于视觉持续存在 - 在它消失后,眼睛在视网膜上短暂地保持图像的能力,使彼此迅速追随的连续图像被认为是一个。

如果您快速且精确地移动照明粒子,因此由于视力的持久性,您可以创建图片的幻觉

Fushimi表示,悬浮粒子基本上是一种显示创建3D图像所需的光的方式。 “对于在每个点看到的光,你需要一些东西来反映。通过将此粒子放置在空间中的点,您在空间中的voxel [a 3d pixel]。他解释说,通过使用声学悬浮解决了如何在中空中出现这些体素的问题。

回到法拉第笼中,使用他的电脑的Fushimi Fiddles - 通过一套控制板和放大器连接到阵列 - 并且悬浮的聚苯乙烯球开始探测中空中的圆圈,随着它照亮而变化附近的五彩光。由于珠子在连续地在相同的路径上连续旋转时,它变得模糊,并且圆圈的图像直径几厘米几乎持续存在。

聚苯乙烯球现在在5 Hz上移动,这是Fushimi解释的,意味着它在圆周围绕圆形一秒钟。为了实现持久性效果“我们需要移动这些粒子的最小频率是10 Hz”,他增加了。如果球在每秒完成10次的圆圈,理论上将在中空中出现圆圈的多彩图像。

figure 1

去年夏天推出,这种“散发体积展示”显着提高了与先前的声悬浮器相比可以操纵0.7mm聚苯乙烯球的速度和精度(苹果。物理。吧。 115 064101)。颗粒可以在水平轴上的精度为0.11mm,垂直轴线0.03mm,同时以60cm / s的速度移动。使用此设备,研究人员可以准确地追踪诸如12毫米的图像2 布里斯托大学的复制品标志,以及简单的形状,如圆圈,八个和正方形。然而,他们还没有能够以足够快地创建它们以实现视力持久效果的快速。要查看图像,您需要使用具有慢速快速速度的相机。

当法拉第笼中的聚苯乙烯球达到10 Hz的频率时,它确实产生了一个可以被视为图像的圆圈,但它不是一个平滑的圆圈 - 它具有波浪,强烈轮廓(图1)。但它确实展示了概念证明。

更大更好

布里斯托尔队的工作几个月后,苏塞克斯互动实验室的研究人员,由此引领 Sriram Subramanian, 还 推出超声波动力,3D视觉显示 (自然 575 320)。他们更大的设备可以产生持久效果。

使用两个256个传感器阵列,他们证明它们可以以近9米/秒的速度移动聚苯乙烯珠子。这允许它们绘制2厘米的圆环结,笑脸和小于0.1秒的字母,这足以让它们对肉眼可见。它们还可以创建更多的动态内容,例如数字倒计时,仍然达到持久效果。像3D地球和萨塞克斯大学一样的更复杂的图像无法用肉眼查看,而是需要正确地看到长的相机曝光。

Drinkwater表示,Sussex设备的性能令人印象深刻。 “加速和速度如此优秀,而硬件基本上是相同的[与我们的]相同,唯一的区别是它更大。思考的自然事物可能会减慢它,但没有,“他补充道。

他认为,较大的装置达到更高速度的原因是因为颗粒从扬声器阵列进一步定位。他解释说,这意味着,所以可以更小的超声波所需的超声所需的变化。如果相位变化较小,则在更高的粒子速度下达到扬声器的极限。 Fushimi说它很像用激光笔在墙上画一张图像。 “如果你非常靠近墙壁,你必须移动很多东西将激光点从墙的一端移动到另一端,但如果你进一步走开,你只需轻弹你的手臂。”

Subramanian说,这可能是这种情况,因为它们设置中的声学陷阱之间的距离很小。然而,他补充说,“魔鬼是细节”的,并且他无法推测太多,直到他知道“布里斯托尔队大学”尝试并没有尝试过,以及他们究竟尝试了它“ 。

苏塞克斯研究人员现在正在研究它们如何改进其硬件设置以构建大型更复杂的显示,具有更快的移动粒子。目前,他们的声学悬浮装置是集中控制的,并且在将计算机发送到控制板和扬声器之前,在计算机上进行所有决定。 “我们将数据推向USB端口,然后将数据推向这些传感器,”Subramanian解释说“,快速您开始击中您在开始增加传感器数量时可以通过一个USB端口推送多少数据的限制。您需要以非常高的速度单独为每个传感器发送幅度和相位信息。“

他在制作系统无线方面看到了解决方案 - 以实现更快的数据传输 - 或更少集中控制,在控制板和传感器上具有更多电脑化。 “所以,您不从PC发送所有信息,但您发送一些高级信息,每个传感器电路板都在本地计算,”Subramanian解释说。

Subramanian希望在传感器中引入一些智能的希望还将使它们能够产生具有充当像素的多个悬浮粒子的显示,以创建更复杂和详细的图像。 “我们在接下来的几年里的野心就是能够拥有一个关于普通人体头部的大小的谈话头,”他说(见下面的框)。

浮动唱头

Ultrasonic globe

英国苏塞克斯大学的互动实验室刚刚开始与中国上海美术学院的项目,来自英国艺术和人文研究委员会的资金。他们的目标是创建公共安装和显示,其中声音通过声悬浮产生,最初在创建博物馆展品上的重点。 “我们想要做的第一件事之一是创建一个谈话头的画廊,”Sriram Subramanian说。

他认为这些是着名的艺术家唱歌 - 例如弗雷迪水星的3D运动形象露出了女王的命中。他认为,研究人员将能够在接下来的六到八个月内达到这一点,尽管它们不会成为寿命的歌声,更可能更小。

使用当前显示器,Sussex团队已经可以产生可听声音。这是通过在可听频率下振动悬浮,聚苯乙烯珠,这是可能的,因为该装置使用超声信号的不同元素来悬浮和振动。超声阶段信息用于创建悬浮陷阱,而幅度调制用于产生可听声音。这是亚克兰裔人说,这是一种廉价的制作方向声音的方式:“你自由地获得它”。

“如果你走过这些谈话的头,就不会出现在他们身边的声音,除了你站立并看看,说,弗雷迪水星的面孔,那么他开始唱出他的歌曲之一,”亚马拉马尼亚说。 “而且没有单独的扬声器,它是直接来自珠子的声音。”

了解陷阱

回到布里斯托尔大学,研究人员现在正致力于开发更准确的车辆动态和形状的陷阱。他们希望这将使它们能够解决原声悬浮的限制,然后探索其应用。 “悬浮物体和移动它们是一种对散孔显示器以外的东西有用的东西,例如保持样品,连续生产线和其他制造概念的方式,”Drinkwater说。他补充说,操纵药品,污染是一个问题,这将是一个很好的例子。

Drinkwater说他们有一个简单的陷阱模型,这不是正确的,但不得不。他解释说,系统就像一个动态陷阱。当粒子位于声场中的节点中时,它在其移动中的方向,力变得更强,使系统稳定并将粒子保持在适当位置。颗粒与声学陷阱一起移动,但随着移动陷阱开始突出,由于系统中缺乏阻尼,因此变得不稳定。这就是为什么我在Fushimi的实验室中看到的圆圈失去其平滑度,因为它的频率被推到10 Hz - 粒子振动太多(图1)。

汤姆山是布里斯托尔的非线性动态专家说,您可以将聚苯乙烯粒子视为碗中的球。 “如果你在一个碗里有球,你试图在一个特定的道路上移动球,如果你慢慢地这样做很容易,但一旦你做得很快就会在碗周围开始晃动,”他解释道。 “这就像我们有一个是一个真正复杂的形状,实际上是那种形状的模型,非常非常困难。加上,当你围绕它移动碗时,它正在变化形状,还有其他复杂性。“

然而,布里斯托尔研究人员认为,他们无处可行,近距离限制 - 它们可以应用的力量以及它们可以移动粒子的速度。 Drinkwater说,部分问题的是,他们正在使用的扬声器并不符合它,这是潜在的未来研究的大面积。他说“更大的展示似乎是绕过这个问题的一种方式” - 但补充说,你仍然最终撞到一个限制并回到“周围的摆动,碗问题”。

山顶的目的是要了解碗的形状以及它如何变化。然后,您可以准确地模拟您需要移动碗以移动沿所需路径的粒子。 “这是一个有趣的事情就是它会给你最大的速度 - 这是这些[悬浮粒子]可以去的速度的基本限制,”希尔增加了。

Drinkwater将他的声学陷阱与看不见的机器人手臂相比 - 他们抓住了东西并将它们搬到了。而且,就像工厂中的机器人武器一样,他的陷阱可用于制造事物,以及创造图像。如果他可以改善他的设置,以便大量的聚苯乙烯球可以填充到一个小空间中并快速准确地移动,谁知道,也许我们将开始看到现实生活中科幻小说的3D升悬浮预测。

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