音响人士必知：声波定向传播的四种实用解决方法

送盒饭的驴 · 发表于 2018-1-11 09:14:54

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可听声波是一种常见的机械波，其在空气中传播是球面的，发散的，容易衰减，影响传播效果。同时，由于可听声波默认会向四面八方传播，容易扰民。如果能够解决好声波的定向传播，上面的问题就可以得到很好解决。

声波是球面波传播容易衰减也容易扰民

我们平常听到的绝大多数的音箱其实发出的声波都是360度辐射出去的，不同的频率、角度下，声波能量会有不同，但是在空气中传播时极容易衰减。

同时，声波（尤其是低频声波）基本上是无方向性的，因此，就算受众不在音箱的正面，而在音箱的侧面和背面，声音也感觉很响。高频声波，其方向性会强一些，但是其在音箱的侧后方（45度/315度），也只是衰减3~6dB左右而已。

图1

因此，造成了两种结果：声波在空气中传播时极易衰减，传输距离较短，当可听声波到达受众时，往往声强变得很弱，影响了语音清晰度。同时，音箱传出来的声波几乎没有方向性，容易造成扰民问题。这也就是为什么很多地方出现了驱赶广场舞人群（如图1），并造成了冲突。甚至有新闻报道居民为了对付广场舞大妈耗资26万购置了定向音响。

1、利用音罩加强指向性

那么，怎么样才能让声音集中起来，或者用专业术语说加强指向性呢？采用聚音罩是最简单可行的方法之一，这种技术类似于灯罩，只要在高频扬声器上罩个大半球形的罩子（如图2），人在聚音罩下方即可清楚听到声音。

图2

2、利用号角加强指向性

第二种方法是在喇叭单元前加上号角，尤其在中高频广播喇叭、歌舞厅里的专业音箱加上号角。号角音箱的低频没有变化，但是中高频的指向性增强了。

中高频音箱基本上垂直、水平方向可以控制在100度以内，该角度以外可以衰减12dB以上。其原理图如图3所示：

图3

如图3所示，喉口到号角出口的中间和两边的距离不等，声音传播到的时间也不等（即出口部分的相位角差异很大），所以出口部分的波阵面趋向于以喉口为中心的球面波。但是加了号角的音箱即便是球面波，声波的扩散角也比普通扬声器小的多。

图4

不过，现在的远程投射号角已经有了些改变，如图4。将八字型号角的中间部分加了个菱型的塞子。号角中间的菱型塞子可以将高音在号角中间部分的声波做延时处理，使得声波从号角的喉口到号角的出口各部分的时间相等。这样，声波在该号角出口各部分的相位角是相同的，在号角的出口部分的波阵面也趋向于柱型。

送盒饭的驴 · 发表于 2018-1-11 09:17:09

3、使用“线性阵列”加强指向性

除了号角外，另外一个方法就是让音箱发出柱面波，用多只喇叭单元进行排列，广播音柱是比较容易见到的柱面波音箱，很显然，它的垂直指向性很强，但是水平指向性一般。如果想要增强水平指向性，可以采用“线性阵列”音箱或音柱，即将音箱或音柱排列成一行。再在这些中高音单元前加声学透镜，将音频信号数字化后进行分频及复杂的数字效果处理，然后转换为模拟信号分别对每个单元独立放大驱动。

4、使用超声波扬声器加强指向性

使用超声波扬声器来加强指向性，其原理是利用超声波的强指向性来实现定向声波传播的目的。

超声波因为频率较高，波长较短，不容易发生衍射，指向角较小，拥有较好的指向性，而可听声波的频率较低，波长较长，容易发生衍射，从而绕过传播过程中的障碍。

与传统扬声器的原理不同，超声波扬声器将超声波作为载波信号，再将音频信号调制到高频信号中实现在空气中的定向传输，并最终在空气中实现自解调，即可使人耳能够听到被还原的音频信号。

具体地说，基于超声波的声波定向传播技术，其基本原理是将可听声音信号调制到超声载波信号之上，并由超声换能器发射到空气中，不同频率的超声波在空气传播的过程中，由于空气的非线性声学效应，这些信号会发生交互作用和自解调，从而产生频率为原超声频率之和（和频）与频率之差（差频）的新声波。只要超声波选取合适，差频声波则落在可听声区间，即20Hz-20000Hz。这样，借助超声波本身的高指向性，即实现了声音定向传播的过程。

20世纪 60年代Westervelt（韦斯特维尔特）和 Berktay等人发现了超声波在空气中非线性传播的自解调效应，20世纪80年代，日本Kamkura T等人成功制作了这种扬声器装置，从而实验上验实了这种原理的正确，2002年美国人Joseph则继续推动了该项技术在实际中的应用。目前美国、德国和日本业已开始推行应用这种技术，新加坡和中国科学院声学研究所也正在进行这方面研究。

目前，国内有音响企业已经率先发布了基于超声波调制的定向扬声器阵列，很好地实现了声波的定向传播，可以用于室内扩声系统、厅堂扩声系统、公共广播系统和专用会议系统。

图5

如图5，是超声波扬声器与普通扬声器的区别，普通扬声器传播的信号是球面波，是向四面八方传输的，而且在传输的过程中会产生衰减。而超声波扬声器传播的信号是定向的，向夹角很小的同一个方向传输，在传输的过程中几乎不会发生衰减，信号到达受众时，可以自行解调，从而保证受众可以听到声音。

事实上，单个超声波扬声器的效果可能并不是太好，为了提升传播效果，可以由多个超声波扬声器组成阵列，向不同受众区域进行传播，会取得更好的效果。

在这四种方法之中，效果最好的是使用超声波，使用超声波方式来进行声波的定向传播，理论上不会产生“漏音”，而且超声波载波的频率是可调整的，因此其指向性也是可进行相应的调整，从而提升指向性。

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