Изследователи създадоха микрофон за улавяне на информация с помощта на светлината

Изследователи от Пекинския технологичен институт представиха микрофон, който улавя звука с помощта на светлина, а не на звук. За разлика от традиционните устройства, той открива малките вибрации на повърхността на обектите, причинени от звуковите вълни, и ги преобразува в звукови сигнали.

„Нашият метод улеснява и поевтинява използването на светлината за запис на звук, а също така позволява използването му в ситуации, в които традиционните микрофони са неефективни, например при разговор през стъклен прозорец“ —- казва ръководителят на изследователския екип Сю-Джи Яо.

В списание Optics Express изследователите описват нов подход, който за първи път използва еднопикселно изобразяване за откриване на звук. Използвайки оптична установка без скъпи компоненти, те са демонстрирали, че методът може да реконструира звука, като използва вибрациите върху повърхностите на обекти като листа и листове хартия.

„Новата технология има потенциала да промени начина, по който записваме и наблюдаваме звука, отваряйки нови възможности за много области като мониторинг на околната среда, сигурност и промишлена диагностика. Тя би могла да направи възможен разговорът с човек в затворено пространство, като например стая или кола“ — казва Яо.

Преди това са били използвани различни методи за откриване на звук с помощта на светлина, които изискват сложно оптично оборудване, като лазери или високоскоростни камери. В новата работа изследователите са решили да използват метод, известен като еднопикселно изобразяване, за да разработят по-опростен и по-евтин подход.

При еднопикселното заснемане изображенията се заснемат с помощта на единичен детектор (или пиксел), а не с традиционен сензор на камерата с милиони пиксели. Вместо да се записва цяло изображение, светлината в сцената се модулира от пространствен модулатор на светлината в променящи се във времето структурирани модели, а еднопикселовият детектор измерва количеството модулирана светлина за всеки модел. След това компютър използва тези измервания, за да реконструира информацията за обекта.

За да приложи еднопикселно изобразяване към откриването на звук, екипът на Яо използва високоскоростен пространствен светлинен модулатор, за да кодира светлината, отразена от вибрираща повърхност. Звуково предизвиканото движение причинява фини промени в интензитета на светлината, които се улавят от еднопикселов детектор и се декодират в чуваем звук. За проследяване на вибрациите на обектите са използвани методи за локализация, базирани на преобразуване на Фурие, което позволява ефективно и точно измерване на минималните вибрации.

„Чрез комбиниране на еднопикселни изображения с методи за локализация, базирани на трансформация на Фурие, постигнахме висококачествено откриване на звук, използвайки по-просто оборудване и на по-ниска цена. Нашата система може да открива звук, използвайки ежедневни предмети като хартиени карти и листа под естествена светлина, и не изисква вибриращата повърхност да отразява светлината по специфичен начин“ — казва Яо.

Друго предимство на използването на еднопикселов детектор за записване на информация за интензитета на светлината е, че той генерира относително малко количество данни. Това означава, че данните могат лесно да бъдат качени на устройства за съхранение или в интернет в реално време, което позволява дългосрочен или дори непрекъснат звукозапис.

За да демонстрират новия визуален микрофон, изследователите са тествали способността му да реконструира произношението на китайски и английски цифри, както и пасаж от „За Елиза“ на Бетовен. Използвали са хартиена карта и листо като вибрационни цели, поставяйки ги на 0,5 метра от целите, докато наблизо високоговорител е възпроизвеждал звук.

Системата успешно е възстановила ясен и разбираем звук, като хартиената карта се е представила по-добре от листа. Нискочестотните звуци (<1 kHz) са били възстановени точно, докато високочестотните звуци (>1 kHz) са показали леко изкривяване, което е елиминирано след прилагане на филтър за обработка на сигнала. Тестването на скоростта за пренос на данни на системата показва, че се осигурява 4 MB/s, което е достатъчно ниско, за да се минимизират изискванията за съхранение и да се осигури дълго време за запис.

„В момента тази технология съществува само в лабораторни условия и може да се използва в специални ситуации, където традиционните микрофони не работят. Целта ни е да разширим възможностите на системата към други приложения за измерване на вибрации, включително измерване на човешки пулс и сърдечна дейност, използвайки многофункционалните ѝ възможности за събиране на данни“ — казва Яо.

Изследователите работят и за подобряване на чувствителността и точността на системата, правейки я достатъчно преносима за ежедневна употреба. Друга ключова цел е разширяване на ефективния обхват, за да се осигури надеждно откриване на звук на дълги разстояния.