Hörbare Enklaven mit Ultraschall: Audio nur am gewünschten Ort

Stellen Sie sich vor, Sie könnten Musik oder einen Podcast hören, ganz ohne Kopfhörer oder In-Ears – und dabei niemanden in Ihrer Nähe stören. Oder Sie führen mitten in der Öffentlichkeit ein privates Gespräch, ohne dass Umstehende mithören.

Unsere neu veröffentlichte Forschung stellt einen Ansatz vor, mit dem sich hörbare Enklaven erzeugen lassen: räumlich begrenzte „Schallinseln“, die von ihrer Umgebung akustisch abgeschirmt sind. Anders gesagt: Wir haben eine Technologie entwickelt, die Klang genau dort entstehen lässt, wo er gebraucht wird.

Schall so zu übertragen, dass er nur an einem bestimmten Ort hörbar wird, könnte Unterhaltung, Kommunikation und räumliche Audioerlebnisse grundlegend verändern.

Was ist Schall?

Schall ist eine Schwingung, die sich als Welle durch die Luft ausbreitet. Solche Wellen entstehen, wenn sich ein Objekt hin und her bewegt und dabei Luftmoleküle abwechselnd verdichtet und entspannt.

Wie hoch oder tief ein Ton klingt, hängt von der Frequenz dieser Schwingungen ab. Niedrige Frequenzen erzeugen tiefe Klänge, etwa bei einer Bassdrum; hohe Frequenzen führen zu schrillen Tönen, wie bei einer Pfeife.

Schall gezielt zu lenken, ist schwierig – vor allem wegen der Beugung (Diffraktion), also der Tendenz von Schallwellen, sich auf ihrem Weg auszubreiten. Besonders ausgeprägt ist das bei tieffrequentem Schall: Durch die längeren Wellenlängen lässt er sich nahezu nicht auf einen eng begrenzten Bereich „einsperren“.

Einige Audiotechnologien, etwa parametrische Array-Lautsprecher, können gebündelte Schallstrahlen erzeugen und in eine Richtung ausrichten. Dennoch bleibt der Schall auf dem gesamten Ausbreitungsweg hörbar, während er sich durch den Raum bewegt.

Die Wissenschaft hinter hörbaren Enklaven

Wir haben einen neuen Weg gefunden, Schall gezielt zu genau einer hörenden Person zu bringen: mithilfe selbstablenkender Ultraschallstrahlen und einem Konzept, das als nichtlineare Akustik bekannt ist.

Als Ultraschall bezeichnet man Schallwellen mit Frequenzen oberhalb des menschlichen Hörbereichs, also über 20 kHz. Sie breiten sich in der Luft wie gewöhnliche Schallwellen aus, sind für Menschen jedoch nicht hörbar.

Weil Ultraschall viele Materialien durchdringen kann und auf besondere Weise mit Objekten wechselwirkt, ist er in der medizinischen Bildgebung und in zahlreichen industriellen Anwendungen weit verbreitet.

In unserer Arbeit dient Ultraschall als Träger für hörbaren Schall. So lässt sich Audio lautlos durch den Raum transportieren – und erst dann hörbar machen, wenn es gewünscht ist. Wie gelingt das?

Üblicherweise überlagern sich Schallwellen linear: Sie addieren sich proportional zu einer stärkeren Welle. Sind Schallfelder jedoch intensiv genug, können sie nichtlinear miteinander interagieren. Dabei entstehen neue Frequenzen, die zuvor nicht vorhanden waren.

Genau darauf baut unsere Methode auf: Wir senden zwei Ultraschallstrahlen mit unterschiedlichen Frequenzen aus, die für sich genommen vollständig stumm bleiben. Dort, wo sich beide Strahlen im Raum schneiden, führen nichtlineare Effekte zur Erzeugung einer neuen Schallwelle im hörbaren Bereich – und genau nur in diesem räumlich begrenzten Gebiet wird sie wahrgenommen.

Entscheidend ist zudem, dass wir Ultraschallstrahlen so gestaltet haben, dass sie sich von selbst krümmen können. Normalerweise bewegen sich Schallwellen geradlinig, sofern sie nicht durch Hindernisse blockiert oder reflektiert werden. Durch den Einsatz akustischer Metaflächen – spezieller Materialien, die Schallwellen gezielt beeinflussen – lassen sich Ultraschallstrahlen jedoch so formen, dass sie während der Ausbreitung abgelenkt werden.

Ähnlich wie eine optische Linse Licht bricht, verändern akustische Metaflächen die Bahn von Schallwellen. Indem wir die Phase der Ultraschallwellen präzise steuern, erzeugen wir gekrümmte Schallpfade, die Hindernisse umgehen und sich an einem genau festgelegten Zielpunkt treffen können.

Das zentrale physikalische Prinzip heisst Differenzfrequenzerzeugung: Überlagern sich zwei Ultraschallstrahlen mit leicht unterschiedlichen Frequenzen – beispielsweise 40 kHz und 39.5 kHz –, entsteht eine neue Schallwelle in Höhe der Frequenzdifferenz, hier 0.5 kHz, also 500 Hz. Das liegt deutlich innerhalb des menschlichen Hörbereichs.

Hörbar wird der Ton nur dort, wo sich die Strahlen kreuzen. Ausserhalb dieses Schnittbereichs bleibt der Ultraschall weiterhin unhörbar.

Damit lässt sich Audio an einen bestimmten Ort oder zu einer bestimmten Person bringen, ohne andere Menschen entlang des Ausbreitungswegs zu stören.

Fortschritte bei der Schallkontrolle

Die Möglichkeit, Audio-Enklaven zu erzeugen, eröffnet eine Reihe potenzieller Anwendungen.

So könnten hörbare Enklaven personalisierte Audioinhalte in öffentlichen Räumen ermöglichen. Museen könnten Besucherinnen und Besuchern unterschiedliche Audioguides anbieten – ohne Kopfhörer. Und in Bibliotheken könnten Studierende Lerninhalte als Audio hören, ohne andere zu beeinträchtigen.

Im Auto könnten Mitfahrende Musik hören, ohne die Fahrerin oder den Fahrer dabei zu stören, Navigationshinweise wahrzunehmen. Auch Büros sowie militärische Umgebungen könnten von lokal begrenzten Sprachzonen profitieren, um vertrauliche Gespräche zu führen.

Darüber hinaus liessen sich Audio-Enklaven so anpassen, dass sie in definierten Bereichen Lärm unterdrücken: Denkbar wären Ruhezonen, die die Konzentration am Arbeitsplatz verbessern oder die Lärmbelastung in Städten reduzieren.

Allerdings ist das keine Technologie, die in naher Zukunft „einfach im Regal“ stehen wird. Es gibt noch Herausforderungen: Nichtlineare Verzerrungen können die Klangqualität beeinträchtigen. Ausserdem ist die Energieeffizienz ein Thema – die Umwandlung von Ultraschall in hörbaren Schall erfordert hochintensive Felder, deren Erzeugung viel Energie kosten kann.

Trotz dieser Hürden bedeuten hörbare Enklaven einen grundlegenden Wandel in der Kontrolle von Schall. Indem wir neu definieren, wie Schall mit dem Raum interagiert, eröffnen sich neue Möglichkeiten für immersive, effiziente und personalisierte Audioerlebnisse.

Jiaxin Zhong, Postdoctoral Researcher in Acoustics, Penn State und Yun Jing, Professor of Acoustics, Penn State

Dieser Artikel wurde aus The Conversation unter einer Creative-Commons-Lizenz erneut veröffentlicht. Lesen Sie den Originalartikel.

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