存在指南 Way To Exist
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我們能控制誰聽得到聲音?指向性喇叭的原理及應用簡介|音訊科技與聲響探索

我們能否如控制其他物理作用般,控制不可見的聲音範圍以及方向呢?

諾大的舞臺上,聚光燈灑落在正獨奏著的樂手,這名演奏著小提琴的樂手轉瞬間成了整個廳堂的焦點。

要能造就這樣驚人的張力,不僅僅於樂手精湛的技術,將光源控制在一定範圍、讓主角成為黑暗中唯一可視物的聚光燈更是不可或缺的要素之一。既然,在現代科技的發展之下我們已能夠如此控制耗費科學家幾個世紀所研究的 “光” ,那麼不禁令人猜想,我們是否也能夠控制另一項在你我感官認知中,僅次於視覺的聽覺呢?更明瞭的來說,我們是否能夠控制不可見的聲音之傳遞方向、範圍呢?

答案是肯定的,也讓我們進入今天要介紹的音訊科技 —
能夠控制聲音方向以及擴散範圍的 「 指向性喇叭 Directional Speaker 」


前導小知識簡介

-> 人類的聽覺

以日常生活來說,當物體產生碰撞,其動能會有一部分能量轉為以空氣為介質所承載的聲能,而當這些聲能的震盪頻率介於約 20–20000 Hz / 秒時,則可以被我們人類的耳朵所接收到。

->傳統喇叭的聲音製造

在傳統的喇叭上,聲音透過由電磁感應所前後驅動的、搭載線圈的圓錐紙盆推動空氣以產生可聽見的波形,此一波形在發出後,即擴散至介質所能觸及的範圍(在空氣中傳導、逸散)。這邊超級簡述,詳細原理以及作用方式可以 Google “喇叭的作用方式” 。


那我們如何控制聲音的傳遞範圍呢?

根據聲學,波長越長,則其方向性越低,越容易在介質中逸散、竄動,反之來說,當頻率越高,波長越短,則方向性越明顯,也更能夠控制其範圍,有鑑於此,科學家們著手於高頻率的產生。

與上述的普通喇叭相異的是,為了製造這種高頻率,指向性喇叭必須用另一種方式來產生波形,在目前所廣用的技術中,最常使用由石英等晶體製作的能量發射器,這種以晶體接收電流所製成的發射器能夠產生超過人類聽覺範圍的頻率,也就是超越 20 kHz 的 “超聲波 Ultrasound” 。在同一時間使用由眾多這種晶體所製成的發射器,形成陣列後,便可增強其單一微弱的能量,使其真正成為一個 “聲音束 Sound Beam” 。

然而,該如何讓這些超音波重新成為人耳能夠接收到的聲音呢?


調變 Modulation

在聲學原理中,調變 (Modulation)這個詞能夠泛指 “改變” ,尤其是指以一物理波形去改變另一波型,藉此完成各種應用。而這種由一波型改變另一波型的例子中,會有一個原始波形,稱載波(Carrier),另一波型則稱為調變波(Modulator),常見的例子有 AM / FM / PM 也就是震幅調變、頻率調變以及相位調變。

這些調變的應用面廣泛,例如 FM 能夠將聲音調變至高頻、能夠遠程傳輸的波中,在需要時再經由接收器接收並 “解碼,或稱解調 Demodulate” ,還原成人耳能夠聽到的頻率範圍,即我們時常在車上所使用的廣播收音機、最一開始的電話功能等。

上圖片源於: Electronics Coach

在指向性喇叭中,即會參涉各種調變方式,例如較常使用到的 FM 頻率調變以及 PM 相位調變。


超音波的生成與還原

上述的晶體陣列,其實並非僅僅產生超音波這麼簡單,而是經由精密的計算,生成兩種頻率的波,我們姑且可以分別稱其為 Carrier Wave (載波) 以及 Modulator Wave (調變波) 。

首先,晶體會產生一個穩定的超音波,依各家廠牌所製作的晶體發射器不同,約略介於 40 kHz — 200 kHz 之間,我們以此穩定頻率為載波

同時,晶體會產生一個以載波頻率為基準,並多出人耳可聽範圍頻率的調變波,例如,若是載波為 100 kHz ,則此調變波約略會發出介於 100.2 kHz — 120 kHz 之間的頻率。

這兩種頻率的波由晶體同時發出,但兩者呈平行前進,在空氣中的傳遞期間並無相互交涉,是互不干涉(Non — Overlapping)的兩個波束。

緊接著,就是超音波能夠還原成人耳可聽的關鍵:這兩種頻率的波,會在遇到障礙物時產生交涉,並自動解調 (Demodulation)

過程是這樣的,當這兩個原先以線性平行前進的波,接觸到障礙物時,即會在瞬間干涉、混合在一起,此時會產生巨幅的結構型態改變(Destructively Construct Deform),在這一瞬間,兩者重複的波態會根據聲學原理相互抵消,形成第三個新的波態。

例如以 100.2 kHz 與 120 kHz 來說,會剩下 200–20 kHz 的頻率,完成 Demodulation(解調)。

上述中的聲學原理為 Out Of Phase 反向相位的波形抵消:在常態下,若是將兩個頻率相等、振幅相等的波同時放在一起,兩者將會相互抵消,在理想值(交涉時間、振幅以及

頻率相符)下,能夠完全抵消聲能,這也是為什麼在歌曲的混音過程中,混音工程師必須反覆進行 Stereo — Mono 立體聲以及單聲道交互測試,以免立體聲混音中某些聲音 Out Of Phase 而相互抵消,造成失去某些頻率,甚至有些較為激進的混音辦法會將 Pan 至左右側的相同聲音利用 Delay 製造出些微的、人類察覺不出來的時間差藉以避免相位相抵。

如此一來,超音波就被解碼 Decoding(或稱解調 Demodulation)成預先設定好的人耳可聽見的頻率範圍了(Audible Sound — 20 ~ 20 kHz)。

也就是說,當指向性喇叭所發出的超音波接觸到站在前方的人,即能夠在轉瞬間完成 Demodulation ,讓影響範圍內的人聽到聲音。

這種相同參數交涉(Parametric Interaction)所形成的 Modulation 方式需要高度精準的設計、製造,每一個晶體發射器還需透過各家的技術用以減少頻率響應的完整度、波形的衰退及穩定性等等,因此即使在這種技術已經面世許久的 2022 ,其價格仍居高不下,甚至有許多相對較為容易的技術實現方式,例如有些廠商使用 AM Amplitude Modulation 振幅調變來實現這樣的功能,其成效就會比較差。

上述的晶體發射器為筆者自己譯成的名詞,其正名為 Piezoeletric Transducer ,壓電換能器。


實際感受起來如何?

說完理論後,我們實際聽聽看,下方是由歐洲 Ultrasonics 所開發的 Acouspade 之示範影片。

原 DEMO 影片因技術問題無法放上,可以由上方進入 Youtube 觀看

從 DEMO 影片中就可以感受到這種科技的神奇之處,即使不在現場,我們也能感受到聲音掠過身上的神奇感受,但很明顯地,音質解析度比一般喇叭低了許多。

這是這項科技自問世以來一直面臨的挑戰,音質以及頻率響應皆比一般市售喇叭還要差,使其應用範圍被拋出了家用音響之外,目前各家廠商也正為此而革新技術當中。

指向性喇叭的應用

諸如其他眾多科技一樣,指向性喇叭起源於軍事科技,在改進之前,被運用於遠航軍艦上針對敵艦的遠程、集中聲音的廣播,在當時稱為 LRAD (Long Range Acoustic Device) 長程擴音裝置,而後,科學家們發現除了可以在同樣功率下將聲音傳得更遠的特性外,更能夠在民間發揮的特性在於其聲音的集中性。

裝設於美國軍艦上的 LRAD 喇叭

約莫 2010 開始,德國的美術館開始引進這種指向性喇叭,在靜謐的展示廳中,僅有遊客跨入展示品的範圍前,才能夠聽見關於展示品所配置的悠揚樂聲或解說,這樣於博物館、美術館的務實應用很快普及到全歐洲,近期臺灣的展覽場也開始有引進此方式的高度意願。

除了博物館,如圖書館、醫院、學校、會議室甚至是公司辦公室中,皆是指向性喇叭能夠發揮的場所。試想一下,若是這種技術被更近一步地進行音質提升、頻率響應更為完整時,或許能夠取代家用喇叭,在客廳打電動、看電視也可以盡情享受,不用怕吵到其他家人或鄰居(當然聲學空間的配置又是另一需要做的配置),其商業性用途可說是相當廣泛。

Focusonics' Museum Solution


結語

如同文中說的,目前已有諸多廠商著手於這種科技並加以改良(例如裝上感應器以及輪軸,讓喇叭持續對著移動的目標物進行廣播,同時不干擾到環境中的其他人),但距離完全商用仍有一段距離,筆者自己也相當看好這項技術的前瞻性、商用性。

Taipei, Taiwan 2022/08/29




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