Thiết bị in 3D phân tách tiếng ồn trắng thành cầu vồng âm thanh mà không cần điện
Phương pháp tối ưu hóa cấu trúc hình thái định hình các tạp chất tán xạ, được hiển thị dưới dạng vật liệu màu xám. Khi ARE được kích thích bởi nguồn đơn cực phát ra tiếng ồn trắng băng rộng, âm thanh bức xạ tạo ra cầu vồng âm thanh. Nguồn được đặt ở trung tâm của bộ phát (minh họa bằng ánh sáng trắng) và được điều khiển với công suất bằng nhau ở mọi tần số từ 7.600 đến 12.800 Hz. Đầu ra âm thanh được đo bằng thực nghiệm (trường xa) được ánh xạ thành quang phổ ánh sáng khả kiến theo độ lớn và nội dung tần số của nó trong toàn bộ 360° xung quanh ARE. Nguồn: Science Advances (2025). DOI: 10.1126/sciadv.ads7497
Trong một nghiên cứu được công bố trên Science Advances, các nhà nghiên cứu từ Đại học Kỹ thuật Đan Mạch và Đại học Bách khoa Madrid đã trình diễn một thiết bị mới gọi là bộ phát cầu vồng âm thanh (ARE) thu tín hiệu nhiễu trắng băng thông rộng từ một nguồn điểm phát ra âm thanh đều theo mọi hướng và phân tán nó lên để phát ra các tần số hoặc cao độ âm thanh khác nhau.
Tương tự như cách lăng kính phân tách ánh sáng trắng thành cầu vồng, thiết bị ARE điều hướng từng tần số theo các hướng khác nhau, tạo ra cầu vồng âm thanh.
Trong tự nhiên, một số loài động vật—như con người, dơi và cá heo—đã tiến hóa thành đôi tai phức tạp (pinnae) có thể bắt, định hình và định hướng âm thanh theo những cách đáng kinh ngạc, giúp chúng cảm nhận và điều hướng môi trường xung quanh.
Mặc dù có nguồn cảm hứng dồi dào từ thiên nhiên, con người vẫn đang phải vật lộn để thiết kế các hệ thống có thể hoạt động trên nhiều tần số khác nhau. Không giống như thiên nhiên, sử dụng các cấu trúc thụ động để định hình âm thanh, hầu hết các hệ thống kiểm soát âm thanh nhân tạo đều yêu cầu các thiết bị chủ động hoặc hệ thống dựa trên cộng hưởng.
Hoạt ảnh của ARE quay được điều khiển bởi tiếng ồn trắng băng thông rộng và âm thanh mà người quan sát nghe được. ARE (màu trắng) được hiển thị đang quay so với người quan sát (chấm đỏ) với áp suất âm thanh trường xa được ánh xạ tới cầu vồng quang học và âm thanh mà người quan sát nghe được khi ARE bị kích thích bởi tiếng ồn trắng được phát dưới dạng âm thanh. Tín dụng: Science Advances (2025). DOI: 10.1126/sciadv.ads7497
Các hệ thống âm thanh hiện có đã chứng minh được khả năng phân tách âm thanh trong môi trường kín, nhưng chúng vẫn chưa thể sánh được với thao tác thính giác băng thông rộng được kiểm soát hoàn toàn trong không gian tự do, tương tự như các hệ thống sinh học.
Các nhà nghiên cứu của nghiên cứu này đặt ra mục tiêu thay đổi điều đó bằng một phương pháp tiếp cận được hỗ trợ bởi hình thái học tính toán—một quá trình sử dụng các thuật toán để tối ưu hóa cấu trúc và phân tích phần tử hữu hạn để tạo ra các hình dạng phức tạp.
Với các công cụ như tối ưu hóa cấu trúc, mô hình hóa chính xác dựa trên sóng và các kỹ thuật chế tạo hiện đại như in 3D, các nhà nghiên cứu đã có được sự tự do chưa từng có để thiết kế các cấu trúc phức tạp có thể điều khiển âm thanh theo những cách hoàn toàn mới.
Điều này cho phép họ điều chỉnh hình dạng của vật liệu rắn theo từng bước để kiểm soát âm thanh phát ra sao cho phù hợp với một mẫu cụ thể trên các tần số. Các nhà nghiên cứu cũng sử dụng phương trình Helmholtz để mô phỏng sự lan truyền và tán xạ âm thanh trong không khí xung quanh một cấu trúc phản xạ âm thanh cứng.
Hoạt ảnh về áp suất âm thanh trường gần không gian theo hàm tần số cho ARE. ARE được hiển thị màu trắng với mức áp suất âm thanh được hiển thị bằng bản đồ màu nhiệt trên thang đo 20 dB. Hoạt ảnh cho thấy trường gần thay đổi như thế nào theo tần số, cho thấy rõ sự tách biệt không gian-phổ được kiểm soát của âm thanh phát ra. Nguồn: Science Advances (2025). DOI: 10.1126/sciadv.ads7497
Dựa trên dữ liệu thu thập được từ các mô hình tính toán, nhóm đã tạo ra một vật thể rắn đơn vật liệu mới có đặc tính tán xạ phức tạp có thể thu được hỗn hợp các tần số âm thanh từ một nguồn duy nhất và phân tách chúng thành các thành phần quang phổ của chúng, tạo ra cầu vồng âm thanh.
Ngoài ARE, các nhà nghiên cứu cũng thiết kế một bộ chia lambda thu được hỗn hợp các tần số âm thanh và hướng sóng âm tần số thấp và cao theo các hướng khác nhau.
Cả hai thiết bị đều hoạt động theo nguyên lý tán xạ thụ động, trong đó hệ thống âm thanh hoàn toàn được điều khiển bởi các tương tác giữa bề mặt nhựa cứng và sóng âm, không cần điện. Bộ phát cầu vồng và bộ chia lambda là những ví dụ tuyệt vời về cách sắp xếp thông minh các cấu trúc thụ động có thể được sử dụng để kiểm soát âm thanh mà không cần dựa vào cộng hưởng tiêu tốn nhiều năng lượng hoặc các thành phần chủ động.
Các nhà nghiên cứu lưu ý rằng nghiên cứu này thiết lập tiềm năng của quá trình hình thái học tính toán để định hình chính xác cách phát ra và thu nhận các trường âm thanh, cung cấp những hiểu biết có giá trị cho các ngành liên quan đến cảm biến và kiểm soát sóng.
Thông tin thêm: Rasmus E. Christiansen et al, Sự hình thành âm thanh tạo ra cầu vồng âm thanh, Science Advances (2025). DOI: 10.1126/sciadv.ads7497
Thông tin tạp chí: Science Advances
