我们能控制谁听得到声音？指向性喇叭的原理及应用简介｜音讯科技与声响探索

诺大的舞台上，聚光灯洒落在正独奏着的乐手，这名演奏着小提琴的乐手转瞬间成了整个厅堂的焦点。

要能造就这样惊人的张力，不仅仅于乐手精湛的技术，将光源控制在一定范围、让主角成为黑暗中唯一可视物的聚光灯更是不可或缺的要素之一。既然，在现代科技的发展之下我们已能够如此控制耗费科学家几个世纪所研究的“光” ，那么不禁令人猜想，我们是否也能够控制另一项在你我感官认知中，仅次于视觉的听觉呢？更明了的来说，我们是否能够控制不可见的声音之传递方向、范围呢？

答案是肯定的，也让我们进入今天要介绍的音讯科技—
能够控制声音方向以及扩散范围的「 指向性喇叭Directional Speaker 」

前导小知识简介

-> 人类的听觉

以日常生活来说，当物体产生碰撞，其动能会有一部分能量转为以空气为介质所承载的声能，而当这些声能的震荡频率介于约20–20000 Hz / 秒时，则可以被我们人类的耳朵所接收到。

->传统喇叭的声音制造

在传统的喇叭上，声音透过由电磁感应所前后驱动的、搭载线圈的圆锥纸盆推动空气以产生可听见的波形，此一波形在发出后，即扩散至介质所能触及的范围（在空气中传导、逸散）。这边超级简述，详细原理以及作用方式可以Google “喇叭的作用方式” 。

那我们如何控制声音的传递范围呢？

根据声学，波长越长，则其方向性越低，越容易在介质中逸散、窜动，反之来说，当频率越高，波长越短，则方向性越明显，也更能够控制其范围，有鉴于此，科学家们着手于高频率的产生。

与上述的普通喇叭相异的是，为了制造这种高频率，指向性喇叭必须用另一种方式来产生波形，在目前所广用的技术中，最常使用由石英等晶体制作的能量发射器，这种以晶体接收电流所制成的发射器能够产生超过人类听觉范围的频率，也就是超越20 kHz 的“超声波Ultrasound” 。在同一时间使用由众多这种晶体所制成的发射器，形成阵列后，便可增强其单一微弱的能量，使其真正成为一个“声音束Sound Beam” 。

然而，该如何让这些超音波重新成为人耳能够接收到的声音呢？

调变Modulation

在声学原理中，调变（Modulation）这个词能够泛指“改变” ，尤其是指以一物理波形去改变另一波型，借此完成各种应用。而这种由一波型改变另一波型的例子中，会有一个原始波形，称载波（Carrier），另一波型则称为调变波（Modulator），常见的例子有AM / FM / PM 也就是震幅调变、频率调变以及相位调变。

这些调变的应用面广泛，例如FM 能够将声音调变至高频、能够远程传输的波中，在需要时再经由接收器接收并“解码，或称解调Demodulate” ，还原成人耳能够听到的频率范围，即我们时常在车上所使用的广播收音机、最一开始的电话功能等。

上图片源于： Electronics Coach

在指向性喇叭中，即会参涉各种调变方式，例如较常使用到的FM 频率调变以及PM 相位调变。

超音波的生成与还原

上述的晶体阵列，其实并非仅仅产生超音波这么简单，而是经由精密的计算，生成两种频率的波，我们姑且可以分别称其为Carrier Wave (载波) 以及Modulator Wave (调变波) 。

首先，晶体会产生一个稳定的超音波，依各家厂牌所制作的晶体发射器不同，约略介于40 kHz — 200 kHz 之间，我们以此稳定频率为载波。

同时，晶体会产生一个以载波频率为基准，并多出人耳可听范围频率的调变波，例如，若是载波为100 kHz ，则此调变波约略会发出介于100.2 kHz — 120 kHz 之间的频率。

这两种频率的波由晶体同时发出，但两者呈平行前进，在空气中的传递期间并无相互交涉，是互不干涉（Non — Overlapping）的两个波束。

紧接着，就是超音波能够还原成人耳可听的关键：这两种频率的波，会在遇到障碍物时产生交涉，并自动解调（Demodulation） 。

过程是这样的，当这两个原先以线性平行前进的波，接触到障碍物时，即会在瞬间干涉、混合在一起，此时会产生巨幅的结构型态改变（Destructively Construct Deform），在这一瞬间，两者重复的波态会根据声学原理相互抵消，形成第三个新的波态。

例如以100.2 kHz 与120 kHz 来说，会剩下200–20 kHz 的频率，完成Demodulation（解调）。

上述中的声学原理为Out Of Phase 反向相位的波形抵消：在常态下，若是将两个频率相等、振幅相等的波同时放在一起，两者将会相互抵消，在理想值（交涉时间、振幅以及

频率相符）下，能够完全抵消声能，这也是为什么在歌曲的混音过程中，混音工程师必须反覆进行Stereo — Mono 立体声以及单声道交互测试，以免立体声混音中某些声音Out Of Phase 而相互抵消，造成失去某些频率，甚至有些较为激进的混音办法会将Pan 至左右侧的相同声音利用Delay 制造出些微的、人类察觉不出来的时间差借以避免相位相抵。

如此一来，超音波就被解码Decoding（或称解调Demodulation）成预先设定好的人耳可听见的频率范围了（Audible Sound — 20 ~ 20 kHz）。

也就是说，当指向性喇叭所发出的超音波接触到站在前方的人，即能够在转瞬间完成Demodulation ，让影响范围内的人听到声音。

这种相同参数交涉（Parametric Interaction）所形成的Modulation 方式需要高度精准的设计、制造，每一个晶体发射器还需透过各家的技术用以减少频率响应的完整度、波形的衰退及稳定性等等，因此即使在这种技术已经面世许久的2022 ，其价格仍居高不下，甚至有许多相对较为容易的技术实现方式，例如有些厂商使用AM Amplitude Modulation 振幅调变来实现这样的功能，其成效就会比较差。

上述的晶体发射器为笔者自己译成的名词，其正名为Piezoeletric Transducer ，压电换能器。

实际感受起来如何？

说完理论后，我们实际听听看，下方是由欧洲Ultrasonics 所开发的Acouspade 之示范影片。

从DEMO 影片中就可以感受到这种科技的神奇之处，即使不在现场，我们也能感受到声音掠过身上的神奇感受，但很明显地，音质解析度比一般喇叭低了许多。

这是这项科技自问世以来一直面临的挑战，音质以及频率响应皆比一般市售喇叭还要差，使其应用范围被抛出了家用音响之外，目前各家厂商也正为此而革新技术当中。

指向性喇叭的应用

诸如其他众多科技一样，指向性喇叭起源于军事科技，在改进之前，被运用于远航军舰上针对敌舰的远程、集中声音的广播，在当时称为LRAD (Long Range Acoustic Device) 长程扩音装置，而后，科学家们发现除了可以在同样功率下将声音传得更远的特性外，更能够在民间发挥的特性在于其声音的集中性。

约莫2010 开始，德国的美术馆开始引进这种指向性喇叭，在静谧的展示厅中，仅有游客跨入展示品的范围前，才能够听见关于展示品所配置的悠扬乐声或解说，这样于博物馆、美术馆的务实应用很快普及到全欧洲，近期台湾的展览场也开始有引进此方式的高度意愿。

除了博物馆，如图书馆、医院、学校、会议室甚至是公司办公室中，皆是指向性喇叭能够发挥的场所。试想一下，若是这种技术被更近一步地进行音质提升、频率响应更为完整时，或许能够取代家用喇叭，在客厅打电动、看电视也可以尽情享受，不用怕吵到其他家人或邻居（当然声学空间的配置又是另一需要做的配置），其商业性用途可说是相当广泛。

结语

如同文中说的，目前已有诸多厂商着手于这种科技并加以改良（例如装上感应器以及轮轴，让喇叭持续对着移动的目标物进行广播，同时不干扰到环境中的其他人），但距离完全商用仍有一段距离，笔者自己也相当看好这项技术的前瞻性、商用性。

Taipei, Taiwan 2022/08/29

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