可聽聲波是一種常見的機(jī)械波，其在空氣中傳播是球面的，發(fā)散的，容易衰減，影響傳播效果。同時(shí)，由于可聽聲波默認(rèn)會向四面八方傳播，容易擾民。如果能夠解決好聲波的定向傳播，上面的問題就可以得到很好解決。

　　聲波是球面波 傳播容易衰減也容易擾民

　　我們平常聽到的絕大多數(shù)的音箱其實(shí)發(fā)出的聲波都是360度輻射出去的，不同的頻率、角度下，聲波能量會有不同，但是在空氣中傳播時(shí)極容易衰減。

　　同時(shí)，聲波(尤其是低頻聲波)基本上是無方向性的，因此，就算受眾不在音箱的正面，而在音箱的側(cè)面和背面，聲音也感覺很響。高頻聲波，其方向性會強(qiáng)一些，但是其在音箱的側(cè)后方(45度/315度)，也只是衰減3~6dB左右而已。

圖1

　　因此，造成了兩種結(jié)果：聲波在空氣中傳播時(shí)極易衰減，傳輸距離較短，當(dāng)可聽聲波到達(dá)受眾時(shí)，往往聲強(qiáng)變得很弱，影響了語音清晰度。同時(shí)，音箱傳出來的聲波幾乎沒有方向性，容易造成擾民問題。這也就是為什么很多地方出現(xiàn)了驅(qū)趕廣場舞人群(如圖1)，并造成了沖突。甚至有新聞報(bào)道居民為了對付廣場舞大媽耗資26萬購置了定向音響。

　　1、利用音罩加強(qiáng)指向性

　　那么，怎么樣才能讓聲音集中起來，或者用專業(yè)術(shù)語說加強(qiáng)指向性呢?采用聚音罩是最簡單可行的方法之一，這種技術(shù)類似于燈罩，只要在高頻揚(yáng)聲器上罩個(gè)大半球形的罩子(如圖2)，人在聚音罩下方即可清楚聽到聲音。

圖2

　　2、利用號角加強(qiáng)指向性

　　第二種方法是在喇叭單元前加上號角，尤其在中高頻廣播喇叭、歌舞廳里的專業(yè)音箱加上號角。號角音箱的低頻沒有變化，但是中高頻的指向性增強(qiáng)了。

　　中高頻音箱基本上垂直、水平方向可以控制在100度以內(nèi)，該角度以外可以衰減12dB以上。其原理圖如圖3所示：

圖3

　　如圖3所示，喉口到號角出口的中間和兩邊的距離不等，聲音傳播到的時(shí)間也不等(即出口部分的相位角差異很大)，所以出口部分的波陣面趨向于以喉口為中心的球面波。但是加了號角的音箱即便是球面波，聲波的擴(kuò)散角也比普通揚(yáng)聲器小的多。

圖4

　　不過，現(xiàn)在的遠(yuǎn)程投射號角已經(jīng)有了些改變，如圖4。將八字型號角的中間部分加了個(gè)菱型的塞子。號角中間的菱型塞子可以將高音在號角中間部分的聲波做延時(shí)處理，使得聲波從號角的喉口到號角的出口各部分的時(shí)間相等。這樣，聲波在該號角出口各部分的相位角是相同的，在號角的出口部分的波陣面也趨向于柱型。

　　3、使用“線性陣列”加強(qiáng)指向性

　　除了號角外，另外一個(gè)方法就是讓音箱發(fā)出柱面波，用多只喇叭單元進(jìn)行排列，廣播音柱是比較容易見到的柱面波音箱，很顯然，它的垂直指向性很強(qiáng)，但是水平指向性一般。如果想要增強(qiáng)水平指向性，可以采用“線性陣列”音箱或音柱，即將音箱或音柱排列成一行。再在這些中高音單元前加聲學(xué)透鏡，將音頻信號數(shù)字化后進(jìn)行分頻及復(fù)雜的數(shù)字效果處理，然后轉(zhuǎn)換為模擬信號分別對每個(gè)單元獨(dú)立放大驅(qū)動。

　　4、使用超聲波揚(yáng)聲器加強(qiáng)指向性

　　使用超聲波揚(yáng)聲器來加強(qiáng)指向性，其原理是利用超聲波的強(qiáng)指向性來實(shí)現(xiàn)定向聲波傳播的目的。

　　超聲波因?yàn)轭l率較高，波長較短，不容易發(fā)生衍射，指向角較小，擁有較好的指向性，而可聽聲波的頻率較低，波長較長，容易發(fā)生衍射，從而繞過傳播過程中的障礙。

　　與傳統(tǒng)揚(yáng)聲器的原理不同，超聲波揚(yáng)聲器將超聲波作為載波信號，再將音頻信號調(diào)制到高頻信號中實(shí)現(xiàn)在空氣中的定向傳輸，并最終在空氣中實(shí)現(xiàn)自解調(diào)，即可使人耳能夠聽到被還原的音頻信號。

　　具體地說，基于超聲波的聲波定向傳播技術(shù)，其基本原理是將可聽聲音信號調(diào)制到超聲載波信號之上，并由超聲換能器發(fā)射到空氣中，不同頻率的超聲波在空氣傳播的過程中，由于空氣的非線性聲學(xué)效應(yīng)，這些信號會發(fā)生交互作用和自解調(diào)，從而產(chǎn)生頻率為原超聲頻率之和(和頻)與頻率之差(差頻)的新聲波。只要超聲波選取合適，差頻聲波則落在可聽聲區(qū)間，即20Hz-20000Hz。這樣，借助超聲波本身的高指向性，即實(shí)現(xiàn)了聲音定向傳播的過程。

　　20世紀(jì) 60年代Westervelt(韋斯特維爾特)和 Berktay等人發(fā)現(xiàn)了超聲波在空氣中非線性傳播的自解調(diào)效應(yīng)，20世紀(jì)80年代，日本Kamkura T等人成功制作了這種揚(yáng)聲器裝置，從而實(shí)驗(yàn)上驗(yàn)實(shí)了這種原理的正確，2002年美國人Joseph則繼續(xù)推動了該項(xiàng)技術(shù)在實(shí)際中的應(yīng)用。目前美國、德國和日本也已開始推行應(yīng)用這種技術(shù)，新加坡和中國科學(xué)院聲學(xué)研究所也正在進(jìn)行這方面研究。

　　目前，國內(nèi)有音響企業(yè)已經(jīng)率先發(fā)布了基于超聲波調(diào)制的定向揚(yáng)聲器陣列，很好地實(shí)現(xiàn)了聲波的定向傳播，可以用于室內(nèi)擴(kuò)聲系統(tǒng)、廳堂擴(kuò)聲系統(tǒng)、公共廣播系統(tǒng)和專用會議系統(tǒng)。

圖5

　　如圖5，是超聲波揚(yáng)聲器與普通揚(yáng)聲器的區(qū)別，普通揚(yáng)聲器傳播的信號是球面波，是向四面八方傳輸?shù)?，而且在傳輸?shù)倪^程中會產(chǎn)生衰減。而超聲波揚(yáng)聲器傳播的信號是定向的，向夾角很小的同一個(gè)方向傳輸，在傳輸?shù)倪^程中幾乎不會發(fā)生衰減，信號到達(dá)受眾時(shí)，可以自行解調(diào)，從而保證受眾可以聽到聲音。

　　事實(shí)上，單個(gè)超聲波揚(yáng)聲器的效果可能并不是太好，為了提升傳播效果，可以由多個(gè)超聲波揚(yáng)聲器組成陣列，向不同受眾區(qū)域進(jìn)行傳播，會取得更好的效果。

　　在這四種方法之中，效果最好的是使用超聲波，使用超聲波方式來進(jìn)行聲波的定向傳播，理論上不會產(chǎn)生“漏音”，而且超聲波載波的頻率是可調(diào)整的，因此其指向性也是可進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，從而提升指向性。