你即將走過盧浮宮美術(shù)館的蒙娜麗莎 甚至沒有注意到，但就在你經(jīng)過時，照片中的女人喊了起來并開始 告訴你她的故事——她是誰，她是如何被畫出來的，以及 她是如何在這個簡單的木框架里過著狹窄的生活的 將近500年。消息靈通，你穿過畫廊 同樣的事情也發(fā)生在下一幅畫上......而下一個... 和下一個!

　　聽起來像個笑話?它很可能在很多事情之前發(fā)生 隨著博物館、畫廊和展覽開始利用，時間更長 一種聰明的新型揚聲器。而不是將空氣抽出 在大范圍內(nèi)隨機，定向揚聲器可以像 將聚光燈舞臺到只有某些人才能聽到的精確位置。 定向揚聲器 有各種用途，從高科技擴音器 關(guān)于海軍 軍艦 到吸引您耳朵的廣告牌以及您的 眼睛。讓我們仔細看看它們是如何工作的!

　　照片：多虧了定向揚聲器，博物館的展品很快就會與您交談——而且只有您!

　　什么是定向揚聲器?

　　照片：美國陸軍士兵使用稱為遠程聲學裝置?(LRAD)?的定向揚聲器系統(tǒng)發(fā)出警告。照片由Bobby L. Allen Jr.提供，由美國陸軍提供。

　　一個常規(guī)的 揚聲器 旨在傳播 聲音 在相當 廣域：有紙張或 塑膠 來回移動的錐體， 在它前面以寬弧形抽水的聲音。越多 能源 你 饋入揚聲器(以 電流)，越多 它可以以聲音的形式抽出能量，聲波可以抽得越遠 旅行，他們似乎越吵。搖滾中使用的巨型揚聲器 節(jié)日產(chǎn)生如此多的能量，以至于它們可以在巨大的 區(qū)域，無論您是否想聽它們。

　　大多數(shù)時候，這正是我們希望揚聲器的行為方式， 但有時，如果他們能工作得更多，那將是有幫助的 選擇性。假設你是一個快速移動的巨人的船長 軍艦，你看到一艘小漁船停泊在前方 并牢牢地鎖定在你的道路上。如果它沒有響應 收音機 聯(lián)系，您有問題。您可以使用擴音器嘗試呼叫 出來，但這只是一個基本的揚聲器，真的，聲音它 制作可能還不夠遠。如果你 可以發(fā)出非常集中的“吶喊”，在緊繃的聲音束中， 那會一直到漁船上捕捉它的 注意，即使距離很遠?這本質(zhì)上就是 定向揚聲器確實如此：它是一種“聲音手電筒” 可以將聲能“照射”到精確的位置，甚至來自某些聲音 距離遠。

　　定向揚聲器的工作原理 — 簡單來說

　　照片：能量在水面上以波浪的形式漣漪。海浪傳播得越遠， 它們的能量消散得越多，因為它擴散得更遠，范圍越來越廣。

　　你已經(jīng)看到當你戳一個表面時，漣漪擴散開來 還用手指池塘?發(fā)生這種情況是因為能量波 你把水放進水里，向四面八方外行。 波浪傳播得越遠，它們的面積就越大 能量傳播。最終，波浪的能量如此之少，以至于它們 完全消失。完全相同的過程發(fā)生 有聲波。無論你是用聲音還是泵聲喊叫 通過揚聲器，聲波從聲源向外傳播 他們的能量逐漸消散。

　　照片：傳統(tǒng)(電磁)揚聲器具有單個大型發(fā)聲錐體。

　　定向揚聲器的工作方式與 傳統(tǒng)揚聲器。最大的區(qū)別是他們沒有 通過單個移動的電磁產(chǎn)生普通的、可聽見的聲波 線圈和錐體。相反，它們生成 超聲波 (高頻 聲音)音調(diào)太高，我們的耳朵聽不到的波 一組稱為 壓電換能器.這些只是 晶體，如石英，每秒來回振動數(shù)萬次 當你通過它們饋送電流時，會產(chǎn)生非常高的電流 聲音的頻率。使用超聲波是因為其頻率較高 波具有相應的較短波長和傳播 當他們旅行時，外出更少，這意味著他們一起呆在一個光束中 比普通聲音更長。 此外，擁有許多小型換能器的陣列會使聲音分散得比它要少 來自單個大型傳感器(出于簡單原因 在這篇文章中解釋 定向音效).

　　實際上，超聲波從定向揚聲器以狹窄聚焦的列傳播出去， 就像手電筒光束。但是當它撞到某物時，它會回頭 變成普通的聲音，你可以聽到。所以，在我們說話的莫娜的情況下 麗莎，旁邊有一個隱藏的定向揚聲器 圖片。它發(fā)射從前面?zhèn)鞑コ鋈サ某暡? 畫面漸漸消散在房間里。當(且僅當)有人走路 進入光束，超聲波碰撞，變回正常聲音，蒙娜麗莎的聲音被神奇地聽到。

　　定向揚聲器的最大優(yōu)點之一是它們可以使聲音傳播多遠。 從理論上講，從傳統(tǒng)揚聲器抽出的聲音隨之而來 什么叫 平方反比定律，因此與揚聲器的距離加倍會降低強度遠不止 半。但是定向揚聲器將其聲音發(fā)送到一個更緊密的集中列中，而聲音則要少得多。 耗能。實際上，這意味著它可以比聲音傳播20倍。 傳統(tǒng)揚聲器。

　　照片：參數(shù)定向揚聲器具有許多超聲波換能器陣列。 這是Sennheiser Audiobeam的特寫，它有152個小型換能器。

　　定向揚聲器的工作原理——更復雜的解釋

　　如果這是你想知道的，很好。但技術(shù)上更 至少可以說，你們中間的頭腦會認識到這種解釋有點光鮮亮麗。你可能會 想知道超聲波如何變回可聽的聲音：如果你 站在一邊聽不到蒙娜麗莎的聲音，為什么突然聽不到 如果你穿過音束，聽到她的聲音嗎?

　　揚聲器陣列實際上產(chǎn)生由兩個組成的調(diào)制波 分離超聲波。其中之一是恒定 200，000 赫茲 (Hz) 頻率的穩(wěn)定參考音 (載波)，另一個是波動的信號 在 200，200 Hz 和 220，000Hz(調(diào)制波)之間。 雖然它們是組合在一起的，但最容易將它們想象成兩個獨立的波，以平行的直線穿過 空氣柱不重疊。如果遇到障礙物 (比如你好奇的頭腦)，它們突然放慢速度并混合在一起 所以他們建設性地干涉(通過加在一起)和 破壞性的(通過彼此減法)。通過原理 波疊加，兩個頻率的超聲波可以 相互減去以產(chǎn)生第三個波，其低得多 頻率在 200–20 范圍內(nèi)，000 Hz — 這就是頻率 您的耳朵聽到的范圍。一 電子的 連接到 壓電換能器不斷改變頻率 兩個波，以便它們產(chǎn)生正確的較低可聽頻率 當它們碰撞并“解調(diào)”時。 (它還以獨特的方式對信號進行編碼 確保在聽眾耳中分離時噪音和失真更少。 從技術(shù)上講，兩種超聲波混合在一起的過程是 叫 參數(shù)交互，這就是為什么揚聲器可以工作的原因 方式有時被稱為 參數(shù)化揚聲器.

　　定向揚聲器工作原理摘要

　　定向揚聲器中的壓電換能器(灰色圓圈)產(chǎn)生兩個超聲波(紅色和藍色)，這兩個脈沖的頻率都太高而聽不到)。換能器以聚焦柱抽出波(如手電筒光束中的光)。這些波實際上是經(jīng)過調(diào)制的(如無線電波)并作為一個波傳播，但最簡單的方法是將它們想象成兩個完全獨立的波。

　　當兩個波撞擊某物(或某人)時，它們會減慢速度并解調(diào)，產(chǎn)生頻率低得多的新波(綠色)，等于兩個原始波之間的頻率差。這是你可以聽到的波浪。

　　當沒有人站在光束中時，波繼續(xù)傳播而不會產(chǎn)生可聽見的聲波——所以如果沒有人站在揚聲器前，你就聽不到任何東西。

　　站在光束外的人聽不到任何東西，因為(與傳統(tǒng)揚聲器不同)聲波不會偏離聲源到達他們的耳朵。

　　定向揚聲器的用途是什么?

　　照片：在攻擊演習期間，這里正在使用遠程聲學設備(LRAD?)從藍嶺號向一艘小型來襲船只發(fā)出警告。請注意您必須如何旋轉(zhuǎn)LRAD?并將其指向您希望聲音傳播的方向，就像手電筒一樣。攝影：Tucker M. Yates，由美國海軍和 維基共享資源.

　　可能性確實是無限的。想象廣告或 店內(nèi)展示，僅在您走過時與您交談。或醫(yī)院 電視 只向某些患者發(fā)出聲音 床，讓其他人不受干擾。擴音器呢 警察只能用一兩個麻煩制造者來解決 暴動的人群?或者音樂會舞臺上的揚聲器，表演者可以用來 向觀眾中的某些人發(fā)送私信!怎么樣 只有坐在附近的幾個人才能聽到的免提免提電話?偉大 對于嘈雜的辦公室!

　　自2004年以來，美國軍方一直在使用定向揚聲器。 他們使用的系統(tǒng)稱為 LRAD?(遠程聲學設備) 由安裝在船舷的巨型扁平揚聲器組成 這樣他們就可以向潛在范圍內(nèi)的船只發(fā)送響亮的音頻警告 超過500米(三分之一英里)。它在嘈雜和嘈雜時特別有用 任何常規(guī)揚聲器的航空母艦 會被背景噪音淹沒 噴氣機 飛機和 直升機.一些警察部門有 十多年來一直使用LRAD作為人群控制的手段，盡管這種做法是 爭議。2014年紐約市發(fā)生一次抗議活動后，律師 抱怨LRAD設備“旨在執(zhí)行人群控制和其他功能 - 通過傷害人來改變行為并強制遵守，”根據(jù) 《紐約時報》.抗議 者 與紐約警察局達成和解 在 2021 年限制 LRAD 的使用。

　　照片：兩種不同 LRAD? 模型的正面和背面視圖。左圖：你可以感覺到這個LRAD有多大，有多笨重：它被兩個人抬到這里。照片由Jordan Kirkjohnson提供 美國海軍. 右：這是輕型LRAD 500X(Extreme)的背面，控制面板和麥克風單元就在下面。 該型號為 64 厘米(24 英寸)見方，可以發(fā)射最遠 2 公里(1.2 英里)外的聲音。 攝影：Amanda Dunford 提供 美國海軍.

　　類似的原理也被用于某些類型的助聽器。超聲波用于將聽不見的高保真聲音直接傳送到某人的耳道中，在這種情況下，解調(diào)發(fā)生在他們的內(nèi)耳內(nèi)， 產(chǎn)生只有他們才能聽到的聲音。

　　誰發(fā)明了定向揚聲器?

　　我們在本文中討論的定向揚聲器技術(shù)最初是由 使用帶有聲納(水下導航)系統(tǒng)的參數(shù)陣列的海軍科學家。 最早完善該技術(shù)以用于可聽聲音的人之一是美國發(fā)明家 伍迪·諾里斯; 他的系統(tǒng)稱為HyperSonic Sound(HSS)，?由 格納西斯 (前身為LRAD公司和美國科技公司，ATC)，該公司生產(chǎn)LRAD?和許多相關(guān)產(chǎn)品。這 全息音速? Audio Spotlight?使用由麻省理工學院前學生Joseph Pompei博士開發(fā)的大致相似的超聲波技術(shù)。