“一個參數揚聲器，可以讓聲音定向發射。”

大多數揚聲器都能向各個方向發出聲音，因為與波長相比，它們的體積相對較小。人耳可聽到的聲音波長可達數米，因此一個聲學上 “大” 的揚聲器可能根本放不進您的房子。 幸運的是，強調制超聲波在通過空氣時會慢慢轉換成普通聲音。超聲波的波長通常在一厘米左右，因此可以制造出小巧的定向揚聲器。

普通的線圈和磁鐵揚聲器在超聲波范圍內效果不佳，因此我不得不使用專門的壓電換能器。這些傳感器非常小，直徑只有一厘米：

這些換能器只能在較窄的頻率范圍內工作，我的換能器設計頻率為 40 千赫。它們的波長為 8 毫米，足以產生一定的方向性，但還不足以達到我想要的 “聲音激光 ”效果。

為了解決這個問題，我將多個換能器并聯在一起，作為一個非常大的換能器。我的電路板可容納 73 個換能器，排列成 18 厘米乘 6 厘米的長方形：

這個陣列有 20 個波長乘以 7 個波長，足以形成相當窄的波束。 我的換能器底部標有極性，但其他型號的換能器往往沒有標注或標注不清。要測試極性，可將傳感器連接到示波器上，輕輕戳一下里面的陶瓷盤。這會產生兩個相反的脈沖，一個是施加壓力產生的，另一個是釋放壓力產生的。第一個脈沖的極性必須與整個陣列的極性相同。否則，一半的換能器會拉動空氣，而其他的換能器則會推動空氣，導致整體沒有聲音。 我強烈建議在焊接之前先測試一個隨機樣本。 這些換能器不能由普通音頻放大器驅動，因為它們的要求與普通揚聲器非常不同。它們對電荷很敏感，需要高電壓和大電流，而揚聲器則不同，需要一些電流，但電壓很小。

這就是我設計的電路，既能產生所需的調制超聲波，又能驅動換能器：

它使用 555 定時器產生一個 40 kHz 的載波，運算放大器通過音頻輸入對載波進行脈寬調制。脈寬調制等同于幅度調制，但無需保留模擬電壓電平即可進行放大：

調制后，信號進入 B 類/推挽放大器，驅動最后一級 MOSFET H 橋。我不記得我到底用了什么晶體管，但幾乎所有的增強型功率 MOSFET 都可以工作。 最后一個元件是負載線圈，它能與傳感器的電容產生共振，使其更容易驅動。換能器的電容在不同頻率下會有數量級的變化，因此除非您有 LCR 表，否則最好通過實驗找到能在陣列上產生最高交流電壓的值。 盡可能使用物理上最大的電感器，它們的電阻最小，磁芯飽和損耗也較低。 穩壓器將最大電源電壓限制在 30 伏，但這已經接近傳感器的最大電壓，因此不會有太大損失。30 伏的音量相當大，與普通揚聲器相比很有競爭力。

這是安裝在電路板上的原型驅動器：

所有這一切的結果就是一束只有幾度寬的聲音，就像激光一樣。你可以聽到聲音，向旁邊走一步，聲音就會完全消失：

聲束可以像光束一樣反射。當聲束遇到物體時，它會反射，使得聲音似乎來自其他地方。有趣的是，當聲束從硬質物體（如墻壁）上反射回來時，聲音似乎比直接聽時更響亮。作者推測這可能是因為硬質表面產生了超聲波強度更高的區域，從而產生了更多的聲波。 這種揚聲器非常適合用于惡作劇，比如“rickrolling”（一種網絡惡作劇，通過欺騙用戶點擊鏈接，實際上重定向到Rick Astley的歌曲《Never Gonna Give You Up》）。特別是當聲音從墻壁上反射時，更難以追蹤聲音來源。這是我唯一一個讓每個人都想知道它是如何工作的惡作劇裝置。 盡管這種揚聲器在特定應用中很有用，但它并不是一個好的通用揚聲器。它幾乎沒有低音響應，音量也不夠大，而且在播放較大音量的音頻時容易失真。

這種揚聲器對麥克風也有奇怪的影響。播放低頻（10-200 Hz）聲音時，即使揚聲器沒有直接對準麥克風，也會完全破壞錄音。這是因為超聲波直接擊中麥克風所致，但可以通過使用那些毛茸茸的防風罩來阻止這種情況。

原理是什么？ 揚聲器越大，指向性越強，但這個結論并不符合直覺。真正的原因是什么呢？想象一下聲波來自揚聲器邊緣的兩個點。 1. 聲波的相位差：當聲波從揚聲器的兩個邊緣發出時，如果你正對著揚聲器，這兩個聲波到達你耳朵的距離相同，它們的相位也相同，因此聲波會疊加增強，產生較大的聲音。但如果你站在揚聲器的側面，這兩個聲波到達你耳朵的距離不同，導致它們的相位出現差異，一個聲波可能會在到達你耳朵時與另一個聲波相位相反，從而相互抵消，聲音就變得微弱或消失。 2. 揚聲器大小與方向性：揚聲器越大，兩個邊緣發出的聲波到達聽者耳朵的路徑差異就越大，相位差異也越大，因此聲波的疊加效果越集中在揚聲器正前方，使得聲音的方向性更強。對于更短的波長（即更高的頻率），由于波長較短，聲波的相位差異更容易在較小的距離差異下產生，因此同樣大小的揚聲器在高頻時方向性更強。 3. 聲源數量的影響：如果聲波只從兩個點發出，那么在某些位置，這兩個聲波可能會偶然地相位相同，從而在這些位置產生聲音。但如果有更多的聲源（即揚聲器更大），這種偶然相位相同的情況就只會在揚聲器正前方發生，從而使得聲音更加集中。 4. 計算聲束半角的公式：用一個公式來估算聲束的半角（即聲束寬度的一半）：

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

這個公式表明，揚聲器陣列在某個方向上的長度越短，聲束在該方向上的寬度就越大。當揚聲器水平放置時，矩形陣列會產生垂直的扇形聲束，這在我們的日常生活中（大部分是水平的）非常適用。 5. 減小傳感器間距：為了保持聲束的方向性，應該盡量減少傳感器（揚聲器單元）之間的間距。如果傳感器之間的間距過大，會導致聲束以奇怪的角度發射出來，影響聲束的集中度。

以上內容解釋了聲波的相位和波長對揚聲器方向性的影響，說明了如何通過設計較大的揚聲器或揚聲器陣列來實現類似激光束的窄聲束效果。

原文轉載自： https://10maurycy10.github.io/projects/speaker/ License:Creative Commons Attribution-ShareAlike 4.0

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