制作一个像“激光”一样的“音波束”（定向发声）

“一个参数扬声器，可以让声音定向发射。”

大多数扬声器都能向各个方向发出声音，因为与波长相比，它们的体积相对较小。人耳可听到的声音波长可达数米，因此一个声学上 “大” 的扬声器可能根本放不进您的房子。 幸运的是，强调制超声波在通过空气时会慢慢转换成普通声音。超声波的波长通常在一厘米左右，因此可以制造出小巧的定向扬声器。

普通的线圈和磁铁扬声器在超声波范围内效果不佳，因此我不得不使用专门的压电换能器。这些传感器非常小，直径只有一厘米：

这些换能器只能在较窄的频率范围内工作，我的换能器设计频率为 40 千赫。它们的波长为 8 毫米，足以产生一定的方向性，但还不足以达到我想要的 “声音激光 ”效果。

为了解决这个问题，我将多个换能器并联在一起，作为一个非常大的换能器。我的电路板可容纳 73 个换能器，排列成 18 厘米乘 6 厘米的长方形：

这个阵列有 20 个波长乘以 7 个波长，足以形成相当窄的波束。 我的换能器底部标有极性，但其他型号的换能器往往没有标注或标注不清。要测试极性，可将传感器连接到示波器上，轻轻戳一下里面的陶瓷盘。这会产生两个相反的脉冲，一个是施加压力产生的，另一个是释放压力产生的。第一个脉冲的极性必须与整个阵列的极性相同。否则，一半的换能器会拉动空气，而其他的换能器则会推动空气，导致整体没有声音。 我强烈建议在焊接之前先测试一个随机样本。 这些换能器不能由普通音频放大器驱动，因为它们的要求与普通扬声器非常不同。它们对电荷很敏感，需要高电压和大电流，而扬声器则不同，需要一些电流，但电压很小。

这就是我设计的电路，既能产生所需的调制超声波，又能驱动换能器：

它使用 555 定时器产生一个 40 kHz 的载波，运算放大器通过音频输入对载波进行脉宽调制。脉宽调制等同于幅度调制，但无需保留模拟电压电平即可进行放大：

调制后，信号进入 B 类/推挽放大器，驱动最后一级 MOSFET H 桥。我不记得我到底用了什么晶体管，但几乎所有的增强型功率 MOSFET 都可以工作。 最后一个元件是负载线圈，它能与传感器的电容产生共振，使其更容易驱动。换能器的电容在不同频率下会有数量级的变化，因此除非您有 LCR 表，否则最好通过实验找到能在阵列上产生最高交流电压的值。 尽可能使用物理上最大的电感器，它们的电阻最小，磁芯饱和损耗也较低。 稳压器将最大电源电压限制在 30 伏，但这已经接近传感器的最大电压，因此不会有太大损失。30 伏的音量相当大，与普通扬声器相比很有竞争力。

这是安装在电路板上的原型驱动器：

所有这一切的结果就是一束只有几度宽的声音，就像激光一样。你可以听到声音，向旁边走一步，声音就会完全消失：

声束可以像光束一样反射。当声束遇到物体时，它会反射，使得声音似乎来自其他地方。有趣的是，当声束从硬质物体（如墙壁）上反射回来时，声音似乎比直接听时更响亮。作者推测这可能是因为硬质表面产生了超声波强度更高的区域，从而产生了更多的声波。 这种扬声器非常适合用于恶作剧，比如“rickrolling”（一种网络恶作剧，通过欺骗用户点击链接，实际上重定向到Rick Astley的歌曲《Never Gonna Give You Up》）。特别是当声音从墙壁上反射时，更难以追踪声音来源。这是我唯一一个让每个人都想知道它是如何工作的恶作剧装置。 尽管这种扬声器在特定应用中很有用，但它并不是一个好的通用扬声器。它几乎没有低音响应，音量也不够大，而且在播放较大音量的音频时容易失真。

这种扬声器对麦克风也有奇怪的影响。播放低频（10-200 Hz）声音时，即使扬声器没有直接对准麦克风，也会完全破坏录音。这是因为超声波直接击中麦克风所致，但可以通过使用那些毛茸茸的防风罩来阻止这种情况。

原理是什么？ 扬声器越大，指向性越强，但这个结论并不符合直觉。真正的原因是什么呢？想象一下声波来自扬声器边缘的两个点。 1. 声波的相位差：当声波从扬声器的两个边缘发出时，如果你正对着扬声器，这两个声波到达你耳朵的距离相同，它们的相位也相同，因此声波会叠加增强，产生较大的声音。但如果你站在扬声器的侧面，这两个声波到达你耳朵的距离不同，导致它们的相位出现差异，一个声波可能会在到达你耳朵时与另一个声波相位相反，从而相互抵消，声音就变得微弱或消失。 2. 扬声器大小与方向性：扬声器越大，两个边缘发出的声波到达听者耳朵的路径差异就越大，相位差异也越大，因此声波的叠加效果越集中在扬声器正前方，使得声音的方向性更强。对于更短的波长（即更高的频率），由于波长较短，声波的相位差异更容易在较小的距离差异下产生，因此同样大小的扬声器在高频时方向性更强。 3. 声源数量的影响：如果声波只从两个点发出，那么在某些位置，这两个声波可能会偶然地相位相同，从而在这些位置产生声音。但如果有更多的声源（即扬声器更大），这种偶然相位相同的情况就只会在扬声器正前方发生，从而使得声音更加集中。 4. 计算声束半角的公式：用一个公式来估算声束的半角（即声束宽度的一半）：

angle of first null = asin(wavelength / (2 * size))

这个公式表明，扬声器阵列在某个方向上的长度越短，声束在该方向上的宽度就越大。当扬声器水平放置时，矩形阵列会产生垂直的扇形声束，这在我们的日常生活中（大部分是水平的）非常适用。 5. 减小传感器间距：为了保持声束的方向性，应该尽量减少传感器（扬声器单元）之间的间距。如果传感器之间的间距过大，会导致声束以奇怪的角度发射出来，影响声束的集中度。

以上内容解释了声波的相位和波长对扬声器方向性的影响，说明了如何通过设计较大的扬声器或扬声器阵列来实现类似激光束的窄声束效果。

原文转载自： https://10maurycy10.github.io/projects/speaker/ License:Creative Commons Attribution-ShareAlike 4.0

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审核编辑 黄宇