Visuele microfoon luistert met behulp van licht in plaats van geluid

Elektronica

Redactieteam van de website voor technologische innovatie - 1 augustus 2025

Schematische weergave van een geluidsdetectiesysteem met behulp van een goedkope visuele microfoon. De PDA is een sensor met één pixel, een fotodiode. De DMD is een digitale microspiegel, een commercieel onderdeel. [Afbeelding: Xu-Ri Yao/Beijing Institute of Technology]

Visuele microfoon

Onderzoekers hebben een microfoon ontwikkeld die via licht luistert, in plaats van rechtstreeks geluid te detecteren.

In tegenstelling tot normale microfoons pikt deze visuele microfoon kleine trillingen op het oppervlak van objecten op die worden veroorzaakt door geluidsgolven. Vervolgens zet hij deze trillingen om in hoorbare signalen.

"Onze methode vereenvoudigt en verlaagt de kosten van het gebruik van licht om geluid op te vangen, en maakt bovendien toepassingen mogelijk in situaties waarin traditionele microfoons niet effectief zijn, zoals gesprekken door een glazen raam", aldus professor Xu-Ri Yao van het Beijing Institute of Technology in China. "Zolang er een doorgang voor het licht is, is geluidsoverdracht niet nodig."

Het is een waar technologisch wonder, maar het herinnert ons er ook aan dat privacy steeds minder haalbaar is. Maar het team verzekert dat de fotonische microfoon ook voor goede doeleinden kan worden gebruikt.

"Nieuwe technologie zou de manier waarop we geluid opnemen en monitoren kunnen veranderen, wat nieuwe mogelijkheden biedt op veel gebieden, zoals omgevingsmonitoring, beveiliging en industriële diagnostiek", aldus Yao. "Het zou bijvoorbeeld mogelijk kunnen zijn om met iemand te praten die opgesloten zit in een afgesloten ruimte, zoals een kamer of een voertuig."

Onderzoekers reconstrueerden audiosignalen door de trilling van een papieren kaart (ac) in beeld te brengen. De resultaten werden verbeterd met een signaalverwerkingsfilter om de hoogfrequente component (df) te versterken. [Afbeelding: Xu-Ri Yao/Beijing Institute of Technology]

Geluid horen met licht

Hoewel er verschillende methoden zijn ontwikkeld voor het detecteren van geluid met licht, vereisen deze oplossingen geavanceerde optische apparatuur, zoals lasers of hogesnelheidscamera's. Het idee was om een computationele beeldvormingsmethode, bekend als single-pixel imaging, te gebruiken om een eenvoudigere en kosteneffectievere aanpak te ontwikkelen die optische geluidsdetectietechnologie toegankelijker maakt.

In plaats van de miljoenen pixels van traditionele camera's, legt single-pixel imaging beelden vast met slechts één lichtdetector – één enkele pixel. Dit maakt het onmogelijk om een volledig beeld in één keer vast te leggen, maar het apparaat is kleiner, eenvoudiger en biedt mogelijk een veel hogere gevoeligheid.

Om dit te bereiken, wordt het licht in de scène gemoduleerd met behulp van gestructureerde, tijdsafhankelijke patronen, wat wordt bereikt door een apparaat genaamd een ruimtelijke lichtmodulator . De sensor – de enkele pixel – meet de hoeveelheid licht die voor elk patroon wordt gemoduleerd. Een computer gebruikt deze metingen vervolgens om informatie over het gefotografeerde onderwerp te reconstrueren.

Om deze single-pixel-beeldvormingstechniek toe te passen op geluidsdetectie, gebruikte het team een snelle ruimtelijke lichtmodulator die het licht dat door een geluidbeïnvloed oppervlak wordt gereflecteerd, kan coderen. De door geluid veroorzaakte trillingen op het oppervlak veroorzaken subtiele veranderingen in de intensiteit van het gereflecteerde licht, en deze veranderingen worden vastgelegd door de single-pixeldetector.

Omdat het niet de bedoeling is om het object te fotograferen, worden de variaties die in het licht worden waargenomen, omgezet in hoorbaar geluid.

"De combinatie van single-pixel imaging met Fourier-gebaseerde lokalisatiemethoden stelde ons in staat om hoogwaardige geluidsdetectie te bereiken met eenvoudigere apparatuur en tegen lagere kosten", aldus Yao. "Ons systeem maakt geluidsdetectie mogelijk met behulp van alledaagse voorwerpen, zoals papieren kaarten en vellen, onder natuurlijke lichtomstandigheden, en vereist niet dat het trillende oppervlak licht op een specifieke manier reflecteert."

Een vel papier werkt ook, maar met iets slechtere resultaten dan papier. [Afbeelding: Wei Zhang et al. - 10.1364/OE.565525]

Tests en weinig gegevens

Om de nieuwe visuele microfoon te demonstreren, testten de onderzoekers het vermogen ervan om de uitspraak van getallen in het Chinees en Engels te reconstrueren, evenals een fragment uit Beethovens To Elise .

Een papieren kaartje en een plantenblad werden gebruikt als trillingsdoelen, die op een afstand van 0,5 meter van elkaar werden geplaatst, terwijl een luidspreker in de buurt het geluid afspeelde.

Het systeem reconstrueerde heldere en verstaanbare audio, waarbij de papieren kaart betere resultaten opleverde dan de folie. Laagfrequente geluiden onder 1 kHz werden nauwkeurig gereconstrueerd, terwijl hoogfrequente geluiden boven 1 kHz lichte vervorming vertoonden, hoewel een signaalverwerkingsfilter de resultaten verbeterde.

Een ander voordeel van het gebruik van een single-pixeldetector voor het vastleggen van lichtintensiteitsinformatie is dat deze een relatief kleine hoeveelheid data genereert. Dit betekent dat de data eenvoudig kan worden gedownload naar opslagapparaten of in realtime kan worden geüpload naar internet, wat langdurige of zelfs continue geluidsopnamen mogelijk maakt. Tijdens tests was de datasnelheid 4 MB/s.

Ander nieuws over:

Meer onderwerpen