盖世汽车讯 据外媒报道，宾夕法尼亚州立大学（Penn State）的研究人员设计出一种系统，可以操控声波，使其仅在略大于一英寸的精确区域内可听见。尽管聚焦点如此之小，该系统仍能产生高质量的音频，有望为听众带来清晰而私密的聆听体验。在近期发表于期刊《IEEE Transactions on Ultrasonics》的一篇论文中，该研究团队详细阐述了相关研究成果。

图片来源：Jee Woo Kevin Kim

为什么目前的聚焦声波效果不佳

该论文第一作者、声学博士候选人Jee Woo Kevin Kim解释说，传统的声波是从声源向外扩散的。参数阵列扬声器（Parametric array loudspeaker，PAL）利用高强度超声波将可听声音聚焦成一束狭窄的、类似激光的声波束。虽然这些阵列已被用于博物馆和广播室等场所进行隐蔽的声音传输，但同时也存在一些问题，使它们难以在这些特殊环境之外得到应用。

Kim说道：“这些阵列的方向性太强，一旦声波束接触到某个表面，声音就会在房间内四处反射，从而影响隐私。此外，它们难以产生低频声音，这会影响聆听重低音音乐的体验。”

超表面助力解决难题

声学教授、该论文通讯作者Yun Jing表示，声学超表面可以解决这一关键问题。超表面是一类材料，仅凭其薄薄的结构就能操控波——包括光波、声波、热波等。Jing解释说，用于操控声波的声学超表面很容易通过3D打印制造，并且已被广泛应用于控制特定声音的传播，例如在扬声器中。

Jing表示：“为了开发声学超表面，我们使用像透镜一样聚焦光束的大面积表面。该表面能够调制声波，使其在离开扬声器后汇聚于中心点，从而使我们能够将音频聚焦到精确的区域。”

Jing之前的研究是通过弯曲两个扬声器产生的超声波，从而创造一个音量约为60分贝（相当于正常交谈音量）的私密“可听区域”。但是，这种方法需要多个PAL阵列，而且利用超声波产生可听声音的效率相对较低。

新型被动式超表面方案

该团队研发的新型超表面无需复杂的信号处理或电力即可被动聚焦声波。这种3D打印的覆盖装置可以将扬声器产生的声音引导到一个紧密的“气泡”中，该气泡仅在略大于一英寸宽、小于四分之一英寸高——大约相当于一块口香糖的大小——的空间内可听见。

Jing解释说：“利用这种设计，声波聚焦点在空间中是固定的，但该组件的被动特性有助于大幅降低声学超表面的制造和应用成本。”

为了测试该设计，研究团队在3D打印组件之前，先对超表面透镜的性能进行了仿真和验证。然后，他们将圆形的超表面应用于由一系列PAL组装成的阵列，从而在距离扬声器约四英寸的位置生成了一个聚焦点。该团队播放重低音电子音乐，并缓慢地将麦克风移入和移出该聚焦点，以测试音频质量和声音的聚焦效果。

测试结果显示声音聚焦效果极佳

当麦克风位于聚焦点位置时，能够录制清晰、高质量的音频。然而，当将麦克风从聚焦点位置移开仅两英寸（不到一张信用卡的宽度），音量就会大幅下降，降幅高达50分贝。

此外，使用了该团队的声学超表面的PAL所发出的音频，在高低频段均展现出出色的音质，这在以往的音频聚焦中一直是个难题。测试表明，PAL能够有效地投射低至38赫兹的频率，这几乎是人类听觉所能感知的最深沉、最低沉的频率范围，而这种效果通常需要笨重的低音炮才能实现。Kim表示，这是制造小型化且音质优良的扬声器系统的重要一步。

其他潜在用途

Kim表示：“这种声学超表面直径约六英寸——大约相当于一个盘子的大小——可以直接贴合在任何PAL的表面。我们相信这项技术具有巨大的商业潜力，因为企业只需要一台3D打印机或一个塑料模具就可以批量生产这些组件。”

研究团队表示，这项技术可以在任何需要个性化、私密聆听的场合发挥作用，例如自动取款机（ATM）、售票终端、零售展示柜和汽车内，允许多人同时收听不同的私人音频流。