定向扬声器的科学 #03 — 定向扬声器应用案例：展览·安全·零售·办公

第 1 篇讲了指向性扬声器是什么，第 2 篇讲了它如何工作。本篇换一个问题——那么，用在哪里？一旦声音可以被瞄准，那些曾因噪声而放弃的空间便全都成了舞台。从展厅到人行横道、卖场、办公室，直到客厅——我们把代表性应用整理为四个领域。

先校准一下——"声区"实际有多大

在看应用案例之前，先把感觉校准好为宜。"瞄准声音"听来漂亮，但若不知道实际形成的安静区与可听区的边界有多清晰，就无法判断应用是否可行。

波束呈圆锥扩散，因此到达点的直径仅由波束宽与距离决定。如第 2 篇所算，直径 100mm 阵列配 40kHz 载波时，−3dB 波束宽约为 5°。据此求得各距离下的声区尺寸如下。

距离	波束 3°	波束 5°	波束 8°	波束 15°
1m	0.05m	0.09m	0.14m	0.26m
2m	0.10m	0.17m	0.28m	0.53m
3m	0.16m	0.26m	0.42m	0.79m
5m	0.26m	0.44m	0.70m	1.32m
10m	0.52m	0.87m	1.40m	2.63m

读表的窍门很简单：人头约 0.2m，肩宽约 0.45m。也就是说，5° 波束的设备在 3m 处形成恰好一张脸大小的声区，在 5m 处形成可容一人站立的声区。它适合自助终端、展台这类使用者位置固定之处；反过来说，也难以直接用于人员自由走动的大空间。

若想扩大声区，可加宽波束（缩小口径）或拉远距离，但泄漏给旁人的概率也会随之上升。每看一个应用案例时想起这张表，"为何那里可行、这里不行"大多就有了答案。

1. 文化与展览——每件作品一个独立声区

展厅的顽疾是声音相互重叠。隔壁作品的语音导览会串进来，要挡住又得给每位观众租借耳机。指向性扬声器只在作品前方创造独立声区（Sound Zone），从而解决这一问题。

不过展厅对反射很脆弱。波束触及玻璃展柜或大理石地面时，该点便成为新声源，指向性随之瓦解。因此实际安装会把角度对准做过吸声处理的墙面或观众身体。

2. 安全与公共基础设施——只警告需要的人

公共广播的两难在于：让所有人都听见就成了噪声，调小则传达失败。指向性扬声器正面破解了这一两难。

• 智慧人行横道——只向欲闯红灯的行人发出警告。周边商铺与居民不受噪声侵扰。
• 隧道与灾害广播——长隧道因回声而使普通广播含糊不清，素来令人头疼。将指向性波束按区段布置，射向壁面的能量减少，反射声受到抑制，便可实现清晰的疏散广播。

该领域最棘手的变量是背景噪声。语音要被稳定听懂，信号须足够高于背景，通常以10dB 以上的余量作为设计基准。各环境所需声压如下。

环境	大致背景噪声	所需声压（余量 10dB）	适配度
展厅・图书馆	45dB	55dB	非常适合
办公室・卖场	55dB	65dB	适合
路边・车站站台	70dB	80dB	有条件——需近距布置
隧道・工厂	80dB	90dB	难度高——以多点布置为前提

如第 1 篇所述，参量方式转换效率低，声压无法无限提升。因此环境越嘈杂，方案就越趋向把扬声器放得离目标更近，或按区段分设多台。路边案例中设备如信号灯杆般紧贴行人上方，原因正在于此。

3. 零售与商业——声音的隐私即服务

该领域对指向性扬声器最为有利，原因在于使用者位置固定。站在自助终端前的人，头部几乎总在同一位置。如表所示，1~2m 距离时声区直径收窄至 0.1~0.2m，因此连紧挨着排队的人都听不到的设计确实可以实现。采用自上而下垂直投射的布置也是同理——地面反射被使用者身体挡住，不会向侧面扩散。

4. 智慧办公与家居——看不见的耳机

在办公室与客厅，指向性扬声器成了"看不见的耳机"。无需佩戴设备，也没有耳部疲劳（Ear Fatigue），即可聆听个人音频。

• 视频会议——不戴耳机，会议语音也只在自己座位处可闻。邻座同事得以专注于自己的工作。
• 家庭娱乐——客厅里一人看电视，另一人读书。可实现电视声只到达沙发上观众的独立音频。

不过这也是条件最苛刻的领域。音乐与影视音效倚重低频，而如第 2 篇所见，参量解调以每倍频程 12dB 削弱低频。因此实际实现要么走混合路线——指向性单元负责中高频、常规低音单元负责低频——要么局限于低频不那么重要的语音内容。以扬声器阵列与信号处理营造个人聆听区的个人声区研究至今仍活跃，原因即在于此。

各用途要求规格一览

用途	目标距离	所需声压	内容	最大风险
展览解说	1~3m	55~60dB	语音	玻璃・石材反射
人行横道警告	2~5m	80dB 以上	短促警报・语音	背景噪声、室外温湿度波动
自助终端提示	0.5~1.5m	60~65dB	语音	近距载波暴露
办公个人音频	0.5~1m	60dB	语音・通话	使用者移动
家庭娱乐	2~4m	65~75dB	音乐・影像	低频不足、失真

安装失败的常见原因

技术再好，安装一旦出错效果便荡然无存。现场反复出现的失败类型大致有四。

• 对准反射面——波束触及玻璃、瓷砖、金属板时，该点成为新声源并扩散至整个房间。等于买来指向性又扔掉指向性。
• 高估作用距离——产品手册的最大到达距离以安静室内为准。室外不仅背景噪声更高，温湿度波动还会使空气吸收系数本身发生变化。
• 误判内容——把倚重低频的音乐放进为语音设计的系统，音量越大失真越大。
• 近距布置——载波在设备正前方最强。应避免让人头过于贴近设备的布置。

安装结束之后——运行阶段才出现的问题

上面的失败类型都属于安装那一刻的问题。而在现场更让人头疼的,往往是另一类:起初好好的,却在慢慢变坏。竣工验收拿了满分的设备,半年后成为投诉对象,并不罕见。原因大体有四类。

季节会改变音量

空气吞噬超声的快慢,取决于温度与湿度。在40kHz下,吸收并不随湿度单调上升,而是画出一座山:在相对湿度40~50%附近最强,再往上又趋于平缓。把几种有代表性的运行条件代入国际标准算式,结果如下。

条件	温度·湿度	40kHz吸收	5m区间的载波损失	相对基准
春秋季室内(基准)	20℃ · 50%	1.32dB/m	6.6dB	—
冬季供暖室内	22℃ · 25%	1.05dB/m	5.3dB	有利1.3dB
夏季空调室内	26℃ · 60%	1.30dB/m	6.5dB	几乎无差别
夏季室外	30℃ · 80%	1.02dB/m	5.1dB	有利1.5dB
冬季室外	0℃ · 60%	0.51dB/m	2.6dB	有利4.0dB

在有空调的室内,波动幅度约1dB,大体可以忽略。麻烦的是室外。冬天载波被吸收得少得多,同样的设定就会更响,而这上面还要再乘一层。按第2篇的自解调关系式,复原出的可听声压跟随载波声压的平方,因此载波上产生的4dB差,在可听声上大致会放大成它的两倍。按夏天调好音量后固定不动的室外设备,一到冬天格外吵,原因就在这里;也正因如此,要么随温湿度校正增益,要么按最恶劣条件留出余量。

辐射面会变脏,阵元会变老

超声换能器的辐射面一旦积上灰尘与油膜,振动部分的质量增加,于是谐振频率下移、输出下降。在室外或厨房附近这类污染很快的地方,仅此一项就能在几个月内改变听感音量。清洁以干式为原则,溶剂或水一旦渗入阵元缝隙便难以恢复。单个阵元的老化与失效方向相同——阵列的相位一致性一旦被打乱,波束就变钝,向旁边外溢的旁瓣随之变大。

空间会悄悄改变

安装当时的瞄准线,是以那一天的家具布置为前提的。挪动货架、立起指示牌、加装玻璃隔断,波束原本经过的地方就出现了新的反射面。原本对准人体的角度,半年后可能正对着玻璃展柜。内容同样会变。原本按语音播报设计的位置,一旦加入背景音乐或音效,没人动过硬件,失真却增加、带宽上限也被突破。

这三者的共同点是:故障是以"悄悄变坏"而非"没有声音"的形式到来的。站在预定位置听一听的点检根本抓不到它。因此运行点检的项目不该是"在原位听得见吗",而应是"在原位之外也听得见吗"。把声区之外一两个点的声压记录下来,并定期在同一点复测,是让这项技术长久可用的最廉价办法。

装到公共场所之前——超声暴露这道功课

指向性扬声器一旦装在人多之处，就会附带一个与技术规格无关的问题：持续照射听不见的声音，真的没问题吗？

这个问题棘手有三个原因。其一，听觉上限附近的高频敏感度因人而异且差别很大；多数成人听不到的 20kHz 附近成分，儿童或青年可能听得到。其二，各国的空气传播超声暴露建议值大多以工业现场的成年劳动者为前提制定，并未设想不特定多数人往来的公共场所。其三，虽有头痛、耳鸣、不适等报告，但因果关系尚未确立，学界内部仍在争论。

因此实务上采取保守做法：设定安装高度与角度，使人头不长时间停留在载波声压最高的设备正前方；仅将载波提升到获得所需可听声压的程度；在与儿童动线交叠之处再留余量。如前所述，参量方式转换效率低，"再大声一点"就意味着"超声要强得多"，故声压设计与安全设计无法分离。

导入前须确认的五件事

把前面的各表压缩为一套判断流程，即如下所示。五问皆能作答，多半会成功；哪怕只空一项，多半会失败。

1. 听者站在哪里——位置固定最好；若会移动，则需加宽波束或引入瞄准。若位置未知，这项技术并非答案。
2. 那个位置的背景噪声是多少 dB——加上 10dB 即为所需声压，而该值决定设备的作用距离。
3. 波束越过人之后打到什么——若是玻璃、瓷砖、金属，该点便成为新声源，指向性随之瓦解。应使其打在吸声面或听者身体上。
4. 内容是语音还是音乐——语音很契合；音乐则需另行设计以弥补低频。
5. 人头距设备多远——载波在设备正前方最强。应避免过近的布置。

贯穿五问的，终究是先定空间、再选设备这一顺序。若按"先买好设备、再琢磨装在哪里"的顺序推进，很容易落入前述四种失败类型之一。

未来展望——以声音与万物沟通的时代

这一潮流的终点，是以声音与万物沟通的人的时代。万物皆以声音传递信息的 SoT（Sound of Things）、为卫生与便利而普及的无接触界面，以及以半导体工艺制造的超微型超声换能器阵列的登场——把指向性声学理解为界面的转变而非某一种扬声器，才更为准确。正如屏幕独占了视线，声音同样可以个人化——这才是该技术的真正含义。

以上便是应用地图的全貌。从下一篇起我们进入技术的内里。第一道关卡是这一切的原材料——超声波：从定义、种类到传播特性，循序渐进。

系列导览

《指向性扬声器的科学》将按以下顺序展开。

1. 什么是指向性扬声器——声音的手电筒
2. 把声音装载到听不见的声音上——工作原理第一步
3. 指向性扬声器应用案例——展览、安全、零售、办公（本篇）
4. 什么是超声波——定义、种类、传播特性
5. 其后：参量声阵列（PAA）、波束成形、压电换能器、奈奎斯特、调制、信号处理

本系列是将笔者自行研究整理的超声指向性声学讲义，改写为博客形式呈现。图版摘自该资料。

参考资料

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• M. Yoneyama et al., "The audio spotlight: An application of nonlinear interaction of sound waves to a new type of loudspeaker design," JASA 73(5), 1532 (1983)：空气中的最早实现及指向特性测量
• "Constrained optimization of acoustic contrast for personal sound zones," Applied Acoustics 242, 111058 (2026)：在同一空间内营造个人聆听区的最新研究
• R. Plomp, "A Signal-to-Noise Ratio Model for the Speech-Reception Threshold," J. Speech Hear. Res. 29(2), 146 (1986)：信号相对背景噪声的余量对语音识别的影响——本文 10dB 余量基准的依据
• "Piezoelectric micromachined ultrasonic transducer array for micro audio directional speaker," IEEE ICMA (2013), 450：基于半导体工艺的超微型超声阵列
• H. E. Bass et al., "Atmospheric absorption of sound: Further developments," JASA 97(1), 680 (1995)：室外作用距离判断所用的大气吸收系数，含温湿度依赖性
• T. G. Leighton, "Are some people suffering as a result of increasing mass exposure of the public to ultrasound in air?," Proc. R. Soc. A 472, 20150624 (2016)：公共场所超声暴露的影响与现行建议值的局限
• "Public Exposure to Airborne Ultrasound and Very High Frequency Sound," Acoustics Today 16(3), 17 (2020)：公共场所超声与超高频声暴露现状梳理
• "Exposure to High-Frequency Sound and Ultrasound in Public Places," Acoustics 1(4), 816 (2019)：公共场所实测案例与个体差异问题
• US 5,889,870 — Acoustic heterodyne device and method：以超声载波获得可听声的方式专利
• US 4,823,908 — Directional loudspeaker system：早期指向性扬声器结构专利
• Sound from ultrasound — Wikipedia：以超声波产生可听声的技术总览
• Speech intelligibility — Wikipedia：噪声环境下左右语音清晰度的因素