Il microfono visivo ascolta utilizzando la luce invece del suono

Elettronica

Redazione del sito web sull'innovazione tecnologica - 1 agosto 2025

Schema di un sistema di rilevamento del suono che utilizza un microfono visivo a basso costo. Il PDA è un sensore a pixel singolo, un fotodiodo. Il DMD è un microspecchio digitale, un componente commerciale. [Immagine: Xu-Ri Yao/Istituto di Tecnologia di Pechino]

Microfono visivo

I ricercatori hanno creato un microfono che ascolta tramite la luce, anziché rilevare direttamente il suono.

A differenza dei normali microfoni, questo microfono visivo rileva le minuscole vibrazioni sulla superficie degli oggetti causate dalle onde sonore e le trasforma in segnali udibili.

"Il nostro metodo semplifica e riduce i costi dell'utilizzo della luce per catturare il suono, consentendo al contempo applicazioni in scenari in cui i microfoni tradizionali sono inefficaci, come le conversazioni attraverso una finestra di vetro", ha affermato il professor Xu-Ri Yao del Beijing Institute of Technology in Cina. "Finché c'è un passaggio per la luce, la trasmissione del suono non è necessaria".

È una vera meraviglia tecnologica, ma ci ricorda anche che la privacy è un problema sempre più irraggiungibile. Il team assicura però che il microfono fotonico può essere utilizzato anche per scopi benefici.

"Le nuove tecnologie potrebbero cambiare il modo in cui registriamo e monitoriamo i suoni, aprendo nuove opportunità in molti settori, come il monitoraggio ambientale, la sicurezza e la diagnostica industriale", ha affermato Yao. "Ad esempio, potrebbe essere possibile parlare con qualcuno intrappolato in uno spazio chiuso, come una stanza o un veicolo."

I ricercatori hanno ricostruito i segnali audio riproducendo per immagini la vibrazione di una scheda di carta (ac). I risultati sono stati migliorati con un filtro di elaborazione del segnale per potenziare la componente ad alta frequenza (df). [Immagine: Xu-Ri Yao/Istituto di Tecnologia di Pechino]

Ascoltare il suono con la luce

Sebbene siano stati sviluppati diversi metodi per rilevare il suono tramite la luce, queste soluzioni richiedono apparecchiature ottiche sofisticate, come laser o telecamere ad alta velocità. L'idea era quella di utilizzare un approccio di imaging computazionale noto come imaging a pixel singolo per sviluppare un approccio più semplice ed economico che rendesse la tecnologia di rilevamento ottico del suono più accessibile.

Invece dei milioni di pixel delle fotocamere tradizionali, l'imaging a singolo pixel cattura le immagini utilizzando un solo rilevatore di luce: un singolo pixel. Ciò rende impossibile registrare un'immagine intera in una sola volta, ma il dispositivo è più piccolo, più semplice e potenzialmente offre una sensibilità molto maggiore.

Per raggiungere questo obiettivo, la luce nella scena viene modulata utilizzando modelli strutturati e variabili nel tempo, il che viene realizzato da un dispositivo chiamato modulatore di luce spaziale . Il sensore, il singolo pixel, misura la quantità di luce modulata per ogni modello. Un computer utilizza quindi queste misurazioni per ricostruire informazioni sul soggetto fotografato.

Per applicare questa tecnica di imaging a pixel singolo al rilevamento del suono, il team ha utilizzato un modulatore di luce spaziale ad alta velocità, in grado di codificare la luce riflessa da una superficie colpita dal suono. Il movimento vibrazionale indotto dal suono sulla superficie provoca sottili variazioni nell'intensità della luce riflessa, e queste variazioni vengono catturate dal rilevatore a pixel singolo.

Tuttavia, poiché l'obiettivo non è fotografare l'oggetto, le variazioni rilevate nella luce vengono decodificate in suoni udibili.

"La combinazione di imaging a pixel singolo con metodi di localizzazione basati sulla legge di Fourier ci ha permesso di ottenere un rilevamento del suono di alta qualità utilizzando apparecchiature più semplici e a un costo inferiore", ha affermato Yao. "Il nostro sistema consente il rilevamento del suono utilizzando oggetti di uso quotidiano, come carte e fogli di carta, in condizioni di luce naturale, e non richiede che la superficie vibrante rifletta la luce in un modo specifico."

Anche un foglio di carta funziona, ma con risultati leggermente peggiori rispetto alla carta. [Immagine: Wei Zhang et al. - 10.1364/OE.565525]

Test e pochi dati

Per dimostrare il funzionamento del nuovo microfono visivo, i ricercatori hanno testato la sua capacità di ricostruire la pronuncia dei numeri in cinese e in inglese, nonché un estratto da Per Elisa di Beethoven.

Come bersagli di vibrazione sono stati utilizzati un cartoncino e una foglia di pianta, posizionati a 0,5 metri di distanza l'uno dall'altro, mentre un altoparlante nelle vicinanze riproduceva l'audio.

Il sistema ha ricostruito un audio chiaro e comprensibile, con risultati migliori con la scheda di carta rispetto alla lamina. I suoni a bassa frequenza inferiori a 1 kHz sono stati recuperati con precisione, mentre i suoni ad alta frequenza superiori a 1 kHz hanno mostrato una leggera distorsione, sebbene un filtro di elaborazione del segnale abbia migliorato i risultati.

Un altro vantaggio dell'utilizzo di un rilevatore a pixel singolo per registrare le informazioni sull'intensità luminosa è che genera una quantità di dati relativamente ridotta. Ciò significa che i dati possono essere facilmente scaricati su dispositivi di archiviazione o caricati su Internet in tempo reale, consentendo registrazioni audio a lungo termine o addirittura continue: nei test, la velocità di trasmissione dati era di 4 MB/s.

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