你即将走过卢浮宫美术馆的蒙娜丽莎 甚至没有注意到，但就在你经过时，照片中的女人喊了起来并开始 告诉你她的故事——她是谁，她是如何被画出来的，以及 她是如何在这个简单的木框架里过着狭窄的生活的 将近500年。消息灵通，你穿过画廊 同样的事情也发生在下一幅画上......而下一个... 和下一个!

　　听起来像个笑话?它很可能在很多事情之前发生 随着博物馆、画廊和展览开始利用，时间更长 一种聪明的新型扬声器。而不是将空气抽出 在大范围内随机，定向扬声器可以像 将聚光灯舞台到只有某些人才能听到的精确位置。 定向扬声器 有各种用途，从高科技扩音器 关于海军 军舰 到吸引您耳朵的广告牌以及您的 眼睛。让我们仔细看看它们是如何工作的!

　　照片：多亏了定向扬声器，博物馆的展品很快就会与您交谈——而且只有您!

　　什么是定向扬声器?

　　照片：美国陆军士兵使用称为远程声学装置®(LRAD)®的定向扬声器系统发出警告。照片由Bobby L. Allen Jr.提供，由美国陆军提供。

　　一个常规的 扬声器 旨在传播 声音 在相当 广域：有纸张或 塑胶 来回移动的锥体， 在它前面以宽弧形抽水的声音。越多 能源 你 馈入扬声器(以 电流)，越多 它可以以声音的形式抽出能量，声波可以抽得越远 旅行，他们似乎越吵。摇滚中使用的巨型扬声器 节日产生如此多的能量，以至于它们可以在巨大的 区域，无论您是否想听它们。

　　大多数时候，这正是我们希望扬声器的行为方式， 但有时，如果他们能工作得更多，那将是有帮助的 选择性。假设你是一个快速移动的巨人的船长 军舰，你看到一艘小渔船停泊在前方 并牢牢地锁定在你的道路上。如果它没有响应 收音机 联系，您有问题。您可以使用扩音器尝试呼叫 出来，但这只是一个基本的扬声器，真的，声音它 制作可能还不够远。如果你 可以发出非常集中的“呐喊”，在紧绷的声音束中， 那会一直到渔船上捕捉它的 注意，即使距离很远?这本质上就是 定向扬声器确实如此：它是一种“声音手电筒” 可以将声能“照射”到精确的位置，甚至来自某些声音 距离远。

　　定向扬声器的工作原理 — 简单来说

　　照片：能量在水面上以波浪的形式涟漪。海浪传播得越远， 它们的能量消散得越多，因为它扩散得更远，范围越来越广。

　　你已经看到当你戳一个表面时，涟漪扩散开来 还用手指池塘?发生这种情况是因为能量波 你把水放进水里，向四面八方外行。 波浪传播得越远，它们的面积就越大 能量传播。最终，波浪的能量如此之少，以至于它们 完全消失。完全相同的过程发生 有声波。无论你是用声音还是泵声喊叫 通过扬声器，声波从声源向外传播 他们的能量逐渐消散。

　　照片：传统(电磁)扬声器具有单个大型发声锥体。

　　定向扬声器的工作方式与 传统扬声器。最大的区别是他们没有 通过单个移动的电磁产生普通的、可听见的声波 线圈和锥体。相反，它们生成 超声波 (高频 声音)音调太高，我们的耳朵听不到的波 一组称为 压电换能器.这些只是 晶体，如石英，每秒来回振动数万次 当你通过它们馈送电流时，会产生非常高的电流 声音的频率。使用超声波是因为其频率较高 波具有相应的较短波长和传播 当他们旅行时，外出更少，这意味着他们一起呆在一个光束中 比普通声音更长。 此外，拥有许多小型换能器的阵列会使声音分散得比它要少 来自单个大型传感器(出于简单原因 在这篇文章中解释 定向音效).

　　实际上，超声波从定向扬声器以狭窄聚焦的列传播出去， 就像手电筒光束。但是当它撞到某物时，它会回头 变成普通的声音，你可以听到。所以，在我们说话的莫娜的情况下 丽莎，旁边有一个隐藏的定向扬声器 图片。它发射从前面传播出去的超声波 画面渐渐消散在房间里。当(且仅当)有人走路 进入光束，超声波碰撞，变回正常声音，蒙娜丽莎的声音被神奇地听到。

　　定向扬声器的最大优点之一是它们可以使声音传播多远。 从理论上讲，从传统扬声器抽出的声音随之而来 什么叫 平方反比定律，因此与扬声器的距离加倍会降低强度远不止 半。但是定向扬声器将其声音发送到一个更紧密的集中列中，而声音则要少得多。 耗能。实际上，这意味着它可以比声音传播20倍。 传统扬声器。

　　照片：参数定向扬声器具有许多超声波换能器阵列。 这是Sennheiser Audiobeam的特写，它有152个小型换能器。

　　定向扬声器的工作原理——更复杂的解释

　　如果这是你想知道的，很好。但技术上更 至少可以说，你们中间的头脑会认识到这种解释有点光鲜亮丽。你可能会 想知道超声波如何变回可听的声音：如果你 站在一边听不到蒙娜丽莎的声音，为什么突然听不到 如果你穿过音束，听到她的声音吗?

　　扬声器阵列实际上产生由两个组成的调制波 分离超声波。其中之一是恒定 200，000 赫兹 (Hz) 频率的稳定参考音 (载波)，另一个是波动的信号 在 200，200 Hz 和 220，000Hz(调制波)之间。 虽然它们是组合在一起的，但最容易将它们想象成两个独立的波，以平行的直线穿过 空气柱不重叠。如果遇到障碍物 (比如你好奇的头脑)，它们突然放慢速度并混合在一起 所以他们建设性地干涉(通过加在一起)和 破坏性的(通过彼此减法)。通过原理 波叠加，两个频率的超声波可以 相互减去以产生第三个波，其低得多 频率在 200–20 范围内，000 Hz — 这就是频率 您的耳朵听到的范围。一 电子的 连接到 压电换能器不断改变频率 两个波，以便它们产生正确的较低可听频率 当它们碰撞并“解调”时。 (它还以独特的方式对信号进行编码 确保在听众耳中分离时噪音和失真更少。 从技术上讲，两种超声波混合在一起的过程是 叫 参数交互，这就是为什么扬声器可以工作的原因 方式有时被称为 参数化扬声器.

　　定向扬声器工作原理摘要

　　定向扬声器中的压电换能器(灰色圆圈)产生两个超声波(红色和蓝色)，这两个脉冲的频率都太高而听不到)。换能器以聚焦柱抽出波(如手电筒光束中的光)。这些波实际上是经过调制的(如无线电波)并作为一个波传播，但最简单的方法是将它们想象成两个完全独立的波。

　　当两个波撞击某物(或某人)时，它们会减慢速度并解调，产生频率低得多的新波(绿色)，等于两个原始波之间的频率差。这是你可以听到的波浪。

　　当没有人站在光束中时，波继续传播而不会产生可听见的声波——所以如果没有人站在扬声器前，你就听不到任何东西。

　　站在光束外的人听不到任何东西，因为(与传统扬声器不同)声波不会偏离声源到达他们的耳朵。

　　定向扬声器的用途是什么?

　　照片：在攻击演习期间，这里正在使用远程声学设备(LRAD®)从蓝岭号向一艘小型来袭船只发出警告。请注意您必须如何旋转LRAD®并将其指向您希望声音传播的方向，就像手电筒一样。摄影：Tucker M. Yates，由美国海军和 维基共享资源.

　　可能性确实是无限的。想象广告或 店内展示，仅在您走过时与您交谈。或医院 电视 只向某些患者发出声音 床，让其他人不受干扰。扩音器呢 警察只能用一两个麻烦制造者来解决 暴动的人群?或者音乐会舞台上的扬声器，表演者可以用来 向观众中的某些人发送私信!怎么样 只有坐在附近的几个人才能听到的免提免提电话?伟大 对于嘈杂的办公室!

　　自2004年以来，美国军方一直在使用定向扬声器。 他们使用的系统称为 LRAD®(远程声学设备) 由安装在船舷的巨型扁平扬声器组成 这样他们就可以向潜在范围内的船只发送响亮的音频警告 超过500米(三分之一英里)。它在嘈杂和嘈杂时特别有用 任何常规扬声器的航空母舰 会被背景噪音淹没 噴氣機 飞机和 直升机.一些警察部门有 十多年来一直使用LRAD作为人群控制的手段，尽管这种做法是 争议。2014年纽约市发生一次抗议活动后，律师 抱怨LRAD设备“旨在执行人群控制和其他功能 - 通过伤害人来改变行为并强制遵守，”根据 《纽约时报》.抗议 者 与纽约警察局达成和解 在 2021 年限制 LRAD 的使用。

　　照片：两种不同 LRAD® 模型的正面和背面视图。左图：你可以感觉到这个LRAD有多大，有多笨重：它被两个人抬到这里。照片由Jordan Kirkjohnson提供 美国海军. 右：这是轻型LRAD 500X(Extreme)的背面，控制面板和麦克风单元就在下面。 该型号为 64 厘米(24 英寸)见方，可以发射最远 2 公里(1.2 英里)外的声音。 摄影：Amanda Dunford 提供 美国海军.

　　类似的原理也被用于某些类型的助听器。超声波用于将听不见的高保真声音直接传送到某人的耳道中，在这种情况下，解调发生在他们的内耳内， 产生只有他们才能听到的声音。

　　谁发明了定向扬声器?

　　我们在本文中讨论的定向扬声器技术最初是由 使用带有声纳(水下导航)系统的参数阵列的海军科学家。 最早完善该技术以用于可听声音的人之一是美国发明家 伍迪·诺里斯; 他的系统称为HyperSonic Sound(HSS)，®由 格纳西斯 (前身为LRAD公司和美国科技公司，ATC)，该公司生产LRAD®和许多相关产品。这 全息音速® Audio Spotlight®使用由麻省理工学院前学生Joseph Pompei博士开发的大致相似的超声波技术。