音響メタサーフェスを用いて、研究者は音波を意のままに曲げることが音の制御は、SFやファンタジーにおいて長年の定番技術でした。
『デューン』は、円錐状の静寂によって開けた空間であっても、密室で会話を交わすことができます。
『ブレードランナー 2049』の不気味な看板は、通り過ぎる人々の耳元で広告をささやきます。現実世界では、建築物の奇抜な構造が、意図的か否かに関わらず、音の方向を左右することができます。
例えば、米国議会議事堂の彫像ホールでは、ささやき声が静かに部屋中を伝わっていき、ある場所から別の場所へと伝わり、曲面と相互作用し、音を集中させたり自在に方向を定めることができるのです。
現在、科学者たちは音を正確に制御することを目指しており、将来的にはイヤホンのない世界が実現するかもしれません。しかし、音波を方向づけることは容易ではなく人間が聞き取れる周波数である 20 ～ 20,000 ヘルツは、高周波の超音波よりも拡散しやすい傾向があるため、会話が聞き取られてしまうことがあります。
2019年、研究者たちは空気中の水蒸気に吸収されると光を音に変換するレーザーを用いて音を誘導しました。レーザービームが静止していると、正確な音源定位は困難で、ビーム上のどこからでも音が聞こえてしまいます。回転鏡を追加することで音源定位は向上しましたが、この方法では詳細な音声を伝送することはできませんでした。
もう一つのアプローチは超音波を利用するものです。超音波は人の耳には聞こえませんが、非線形相互作用と呼ばれる効果により、音を捉えるのに役立ちます。2つの超音波が出会うと、それらが「加算」されて高周波の波が作られます。また、収束した波は互いに「減算」して、2つの波の差である低周波の波を作ることも可能です。この低周波の波は人間の可聴範囲に収めることもできるのです。
これはフライパンの中の熱い油に水が触れたときに起こる現象です。小さな蒸気爆発によって超音波が発生し、それが空気中で混ざり合って私たちが聞くジュージューという音を生み出します。20世紀には、米軍がこの効果を利用し、音を経路に沿って指向させるスピーカーを開発しました。
その後、ホロソニックスなどの企業が指向性スピーカーを商品化しました。しかし、レーザーと同様に、音はビームの経路に沿って聞こえるため、完全にプライバシーが確保されるわけではありません。しかし最近、研究者たちはプライベートな「可聴空間」を開発しました。「まるで目に見えないヘッドセットを装着しているようなものです」と、ペンシルベニア州立大学の音響研究者、ユン・ジン氏は語る。適切な場所に立つと、声や音楽が聞こえる一方で、近くにいる人には全く何も聞こえない、とジン氏らは3月に米国科学アカデミー紀要（Proceedings of the National Academy of Sciences）に報告した。彼らはこの驚異的な成果を、音響メタサーフェスを用いて実現しました。
音響メタサーフェスとは、自然素材では不可能な方法で音を操るために、微細な繰り返し構造を持つように設計された素材です。「メタサーフェスとは、操る音波の波長よりも薄いレンズのようなものです」と、テキサス大学オースティン校の機械工学者マイケル・ハーバーマン氏は述べています。
光用のレンズと同様に、音響メタサーフェスは音波の形状を変えることで音を曲げ、形作り、方向を変えることができます。
ジン氏のチームは、ジグザグの空気通路を備えた音響パネルを3Dプリントし各通路の経路長を調整することで、超音波を曲線状に誘導することができました。
次に、このメタサーフェスの薄いシートで2つのスピーカーを覆い、空気中を伝播する超音波ビームを互いに近づけるようにしました。交差部では、非線形相互作用によって波が可聴音に変換され、その場所でのみ聞こえるようになりましたが「音質は良くありません。
4ドルのトランスデューサーを使いました」とジンは言う。「でも、これはまだ概念実証に過ぎません。ちゃんと機能していますよ。」この技術はまだ『デューン』のような静寂の円錐を作り出すことはできませんが、研究者たちは、イヤホンやケーブルを必要とせずに、オープンスペースでプライベートな会話ができる未来を思い描いています。
図書館、オフィス、その他の公共の場所に、プライベートな音声ストリームを同時に配信できる多数の可聴空間を設けることも可能となるので今後の応用に大きな期待がかかっています。