“一個(gè)參數(shù)揚(yáng)聲器，可以讓聲音定向發(fā)射。”

大多數(shù)揚(yáng)聲器都能向各個(gè)方向發(fā)出聲音，因?yàn)榕c波長(zhǎng)相比，它們的體積相對(duì)較小。人耳可聽(tīng)到的聲音波長(zhǎng)可達(dá)數(shù)米，因此一個(gè)聲學(xué)上 “大” 的揚(yáng)聲器可能根本放不進(jìn)您的房子。 幸運(yùn)的是，強(qiáng)調(diào)制超聲波在通過(guò)空氣時(shí)會(huì)慢慢轉(zhuǎn)換成普通聲音。超聲波的波長(zhǎng)通常在一厘米左右，因此可以制造出小巧的定向揚(yáng)聲器。

普通的線圈和磁鐵揚(yáng)聲器在超聲波范圍內(nèi)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(nèi)工作，我的換能器設(shè)計(jì)頻率為 40 千赫。它們的波長(zhǎng)為 8 毫米，足以產(chǎn)生一定的方向性，但還不足以達(dá)到我想要的 “聲音激光 ”效果。

為了解決這個(gè)問(wèn)題，我將多個(gè)換能器并聯(lián)在一起，作為一個(gè)非常大的換能器。我的電路板可容納 73 個(gè)換能器，排列成 18 厘米乘 6 厘米的長(zhǎng)方形：

這個(gè)陣列有 20 個(gè)波長(zhǎng)乘以 7 個(gè)波長(zhǎng)，足以形成相當(dāng)窄的波束。 我的換能器底部標(biāo)有極性，但其他型號(hào)的換能器往往沒(méi)有標(biāo)注或標(biāo)注不清。要測(cè)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(huì)產(chǎn)生兩個(gè)相反的脈沖，一個(gè)是施加壓力產(chǎn)生的，另一個(gè)是釋放壓力產(chǎn)生的。第一個(gè)脈沖的極性必須與整個(gè)陣列的極性相同。否則，一半的換能器會(huì)拉動(dòng)空氣，而其他的換能器則會(huì)推動(dòng)空氣，導(dǎo)致整體沒(méi)有聲音。 我強(qiáng)烈建議在焊接之前先測(cè)試一個(gè)隨機(jī)樣本。 這些換能器不能由普通音頻放大器驅(qū)動(dòng)，因?yàn)樗鼈兊囊笈c普通揚(yáng)聲器非常不同。它們對(duì)電荷很敏感，需要高電壓和大電流，而揚(yáng)聲器則不同，需要一些電流，但電壓很小。

這就是我設(shè)計(jì)的電路，既能產(chǎn)生所需的調(diào)制超聲波，又能驅(qū)動(dòng)換能器：

它使用 555 定時(shí)器產(chǎn)生一個(gè) 40 kHz 的載波，運(yùn)算放大器通過(guò)音頻輸入對(duì)載波進(jìn)行脈寬調(diào)制。脈寬調(diào)制等同于幅度調(diào)制，但無(wú)需保留模擬電壓電平即可進(jìn)行放大：

調(diào)制后，信號(hào)進(jìn)入 B 類/推挽放大器，驅(qū)動(dòng)最后一級(jí) 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(qiáng)型功率 MOSFET 都可以工作。 最后一個(gè)元件是負(fù)載線圈，它能與傳感器的電容產(chǎn)生共振，使其更容易驅(qū)動(dòng)。換能器的電容在不同頻率下會(huì)有數(shù)量級(jí)的變化，因此除非您有 LCR 表，否則最好通過(guò)實(shí)驗(yàn)找到能在陣列上產(chǎn)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(wěn)壓器將最大電源電壓限制在 30 伏，但這已經(jīng)接近傳感器的最大電壓，因此不會(huì)有太大損失。30 伏的音量相當(dāng)大，與普通揚(yáng)聲器相比很有競(jìng)爭(zhēng)力。

這是安裝在電路板上的原型驅(qū)動(dòng)器：

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

聲束可以像光束一樣反射。當(dāng)聲束遇到物體時(shí)，它會(huì)反射，使得聲音似乎來(lái)自其他地方。有趣的是，當(dāng)聲束從硬質(zhì)物體（如墻壁）上反射回來(lái)時(shí)，聲音似乎比直接聽(tīng)時(shí)更響亮。作者推測(cè)這可能是因?yàn)橛操|(zhì)表面產(chǎn)生了超聲波強(qiáng)度更高的區(qū)域，從而產(chǎn)生了更多的聲波。 這種揚(yáng)聲器非常適合用于惡作劇，比如“rickrolling”（一種網(wǎng)絡(luò)惡作劇，通過(guò)欺騙用戶點(diǎn)擊鏈接，實(shí)際上重定向到Rick Astley的歌曲《Never Gonna Give You Up》）。特別是當(dāng)聲音從墻壁上反射時(shí)，更難以追蹤聲音來(lái)源。這是我唯一一個(gè)讓每個(gè)人都想知道它是如何工作的惡作劇裝置。 盡管這種揚(yáng)聲器在特定應(yīng)用中很有用，但它并不是一個(gè)好的通用揚(yáng)聲器。它幾乎沒(méi)有低音響應(yīng)，音量也不夠大，而且在播放較大音量的音頻時(shí)容易失真。

這種揚(yáng)聲器對(duì)麥克風(fēng)也有奇怪的影響。播放低頻（10-200 Hz）聲音時(shí)，即使揚(yáng)聲器沒(méi)有直接對(duì)準(zhǔn)麥克風(fēng)，也會(huì)完全破壞錄音。這是因?yàn)槌暡ㄖ苯訐糁宣溈孙L(fēng)所致，但可以通過(guò)使用那些毛茸茸的防風(fēng)罩來(lái)阻止這種情況。

原理是什么？ 揚(yáng)聲器越大，指向性越強(qiáng)，但這個(gè)結(jié)論并不符合直覺(jué)。真正的原因是什么呢？想象一下聲波來(lái)自揚(yáng)聲器邊緣的兩個(gè)點(diǎn)。 1. 聲波的相位差：當(dāng)聲波從揚(yáng)聲器的兩個(gè)邊緣發(fā)出時(shí)，如果你正對(duì)著揚(yáng)聲器，這兩個(gè)聲波到達(dá)你耳朵的距離相同，它們的相位也相同，因此聲波會(huì)疊加增強(qiáng)，產(chǎn)生較大的聲音。但如果你站在揚(yáng)聲器的側(cè)面，這兩個(gè)聲波到達(dá)你耳朵的距離不同，導(dǎo)致它們的相位出現(xiàn)差異，一個(gè)聲波可能會(huì)在到達(dá)你耳朵時(shí)與另一個(gè)聲波相位相反，從而相互抵消，聲音就變得微弱或消失。 2. 揚(yáng)聲器大小與方向性：揚(yáng)聲器越大，兩個(gè)邊緣發(fā)出的聲波到達(dá)聽(tīng)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(yáng)聲器正前方，使得聲音的方向性更強(qiáng)。對(duì)于更短的波長(zhǎng)（即更高的頻率），由于波長(zhǎng)較短，聲波的相位差異更容易在較小的距離差異下產(chǎn)生，因此同樣大小的揚(yáng)聲器在高頻時(shí)方向性更強(qiáng)。 3. 聲源數(shù)量的影響：如果聲波只從兩個(gè)點(diǎn)發(fā)出，那么在某些位置，這兩個(gè)聲波可能會(huì)偶然地相位相同，從而在這些位置產(chǎn)生聲音。但如果有更多的聲源（即揚(yáng)聲器更大），這種偶然相位相同的情況就只會(huì)在揚(yáng)聲器正前方發(fā)生，從而使得聲音更加集中。 4. 計(jì)算聲束半角的公式：用一個(gè)公式來(lái)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(gè)公式表明，揚(yáng)聲器陣列在某個(gè)方向上的長(zhǎng)度越短，聲束在該方向上的寬度就越大。當(dāng)揚(yáng)聲器水平放置時(shí)，矩形陣列會(huì)產(chǎn)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(yīng)該盡量減少傳感器（揚(yáng)聲器單元）之間的間距。如果傳感器之間的間距過(guò)大，會(huì)導(dǎo)致聲束以奇怪的角度發(fā)射出來(lái)，影響聲束的集中度。

以上內(nèi)容解釋了聲波的相位和波長(zhǎng)對(duì)揚(yáng)聲器方向性的影響，說(shuō)明了如何通過(guò)設(shè)計(jì)較大的揚(yáng)聲器或揚(yáng)聲器陣列來(lái)實(shí)現(xiàn)類似激光束的窄聲束效果。

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

注意：如果想第一時(shí)間收到 KiCad 內(nèi)容推送，請(qǐng)點(diǎn)擊下方的名片，按關(guān)注，再設(shè)為星標(biāo)。

常用合集匯總：

和 Dr Peter 一起學(xué) KiCad

KiCad 8 探秘合集

KiCad 使用經(jīng)驗(yàn)分享

KiCad 設(shè)計(jì)項(xiàng)目（Made with KiCad）

常見(jiàn)問(wèn)題與解決方法

KiCad 開(kāi)發(fā)筆記

插件應(yīng)用

發(fā)布記錄

審核編輯 黃宇