定向聲HyperSound：技術介紹

　　HyperSound是一(yi)種(zhong)顛覆性(xing)的音頻創新，具有高度的指向性(xing)，可以在(zai)商(shang)業應用中推動沉浸式音頻體驗。

　　定(ding)向(xiang)聲音(yin)揚聲器(qi)是一項(xiang)突破性(xing)的技術，為零(ling)售商(shang)、系統集成商(shang)和其他組(zu)織提供了(le)創建隔離的聲音(yin)區域的能力。本白皮書提供了(le)該技術的簡要介紹，并(bing)討論了(le)其在(zai)廣泛的商(shang)業應用中(zhong)的潛力。

　　定向聲：

　　定向(xiang)音頻是一種新興的(de)技術，在(zai)廣泛的(de)商業環境中具有巨大(da)的(de)潛(qian)力。

　　音(yin)頻(pin)“指(zhi)向(xiang)(xiang)性”的水(shui)平在今天的揚聲(sheng)器中變化很大(da)。當(dang)我們(men)(men)討(tao)論指(zhi)向(xiang)(xiang)性時(shi)(shi)，我們(men)(men)指(zhi)的是(shi)揚聲(sheng)器如何向(xiang)(xiang)不同方向(xiang)(xiang)發送聲(sheng)音(yin)的特(te)性。當(dang)聲(sheng)音(yin)是(shi)“定向(xiang)(xiang)的”時(shi)(shi)，它(ta)沿著一個特(te)定的軸(zhou)以最小的擴散傳播。

　　目前，產生定(ding)向聲音的方(fang)法有以下幾(ji)種

　　揚聲(sheng)(sheng)器(qi)陣列: 在水平(ping)面上，空(kong)間上控制可聽見的聲(sheng)(sheng)音波束。這種產生(sheng)集中(zhong)聲(sheng)(sheng)音的方(fang)法(fa)成本很高，不能由(you)小型(xing)揚聲(sheng)(sheng)器(qi)產生(sheng)。指向性很低。

　　聲音圓頂: 將(jiang)聲波聚(ju)焦到圓頂下的聽(ting)眾。指向(xiang)性是(shi)有限的，取決于圓頂的大小，只能(neng)部署在(zai)頭頂的應用。

　　參數化(或(huo)超聲波)揚聲器(qi): 將可聽到的(de)(de)聲音信號調制(zhi)到超聲波載(zai)體上，并(bing)通過(guo)超聲波發射器(qi)投射信號，在一個緊密(mi)的(de)(de)柱(zhu)狀結構中產生可聽到的(de)(de)聲音。這種類型的(de)(de)揚聲器(qi)提供(gong)了最大的(de)(de)音頻方(fang)向性，并(bing)可以(yi)不同的(de)(de)的(de)(de)發射器(qi)大小和形狀中開發。

　　參數化揚(yang)(yang)聲器(qi)提(ti)供了一種(zhong)有(you)效的方法，以(yi)高度定向(xiang)的方式投射聲音， 而(er)不使用大型揚(yang)(yang)聲器(qi)陣列(lie)，以(yi)形成尖銳的定向(xiang)波束

　　定向音頻揚聲器VS傳統揚聲器

　　HyperSound是一種創(chuang)新的，高度定向的參數化揚聲器(qi)。

　　傳統的揚(yang)聲器(qi)可(ke)以被認為是一(yi)個(ge)裸露的燈(deng)泡(pao)，而超聲技術可(ke)以被認為是一(yi)個(ge)手電筒光(guang)束。

　　與燈泡(pao)一(yi)樣，傳統的(de)揚聲(sheng)(sheng)(sheng)器(qi)向四面八方(fang)輻射聲(sheng)(sheng)(sheng)音:不(bu)管聽者在房間的(de)哪個(ge)位置，聲(sheng)(sheng)(sheng)音都(dou)會被聽到(dao)。通常，聽者可以(yi)從房間的(de)任何地(di)方(fang)直接指向那個(ge)揚聲(sheng)(sheng)(sheng)器(qi)，并說“這就是聲(sheng)(sheng)(sheng)音的(de)來(lai)源”。

　　另(ling)一(yi)(yi)方(fang)面(mian)，HyperSound 以一(yi)(yi)種高度(du)可控的(de)窄(zhai)波(bo)束(shu)發出(chu)聲(sheng)(sheng)音(yin)(yin)，因此只有當你“在波(bo)束(shu)中”或處于能聽到(dao)虛擬源反(fan)射聲(sheng)(sheng)音(yin)(yin)的(de)位(wei)置(zhi)時，才(cai)能聽到(dao)聲(sheng)(sheng)音(yin)(yin)。這(zhe)是因為，HyperSound 不是直接使用振動(dong)揚聲(sheng)(sheng)器錐產生(sheng)，而(er)是使用超聲(sheng)(sheng)波(bo)在空(kong)氣中產生(sheng)聲(sheng)(sheng)音(yin)(yin)。音(yin)(yin)頻是高度(du)定(ding)向的(de)，因為它是在一(yi)(yi)個超聲(sheng)(sheng)波(bo)能量柱(zhu)上(shang)無(wu)限多的(de)點(dian)上(shang)產生(sheng)的(de)。

　　這提供了獨特的靈活性，將聲音(yin)準(zhun)確地放置在您想要的地方，而實質上(shang)屏(ping)蔽了來自其他領域的聲音(yin)。

　　歷史

　　大約 150年前(qian)，一位名(ming)叫(jiao)Hermann·von·Helmholtz的(de)(de)(de)(de)德國物理學家(jia)發現空氣是(shi)非(fei)線(xian)性(xing)的(de)(de)(de)(de)。非(fei)線(xian)性(xing)系統的(de)(de)(de)(de)輸出與(yu)輸入不成(cheng)正比。他在(zai)管(guan)風琴上大聲(sheng)地彈奏著(zhu)兩個管(guan)風琴音(yin)(yin)符(fu)，并能聽到他認為是(shi)較(jiao)高頻(pin)率和較(jiao)低頻(pin)率的(de)(de)(de)(de)聲(sheng)音(yin)(yin)。通過仔細地測量，他證(zheng)明(ming)了這(zhe)些新的(de)(de)(de)(de)頻(pin)率確實以新的(de)(de)(de)(de)音(yin)(yin)調的(de)(de)(de)(de)形式存在(zai)，并且被測量為原(yuan)始音(yin)(yin)符(fu)頻(pin)率的(de)(de)(de)(de)和與(yu)差。

　　在電子(zi)學(xue)的(de)(de)世界里，把兩個(ge)頻率發(fa)送到一個(ge)非線性的(de)(de)設備中，產生的(de)(de)輸出包含兩個(ge)原始信(xin)號(hao)(hao)，加上(shang)兩個(ge)信(xin)號(hao)(hao)的(de)(de)和，兩個(ge)信(xin)號(hao)(hao)的(de)(de)差，以及(ji)一組諧波。

　　Westervelt(布朗大學)和Blacktock(德克薩(sa)斯(si)大學奧斯(si)汀分校)進(jin)一(yi)步(bu)解(jie)釋了亥姆霍茲實驗。他們證明(ming)了新的音(yin)調是空氣本身引(yin)起的傳播失真的結(jie)果。

　　根據(ju)Westervelt，Berktay，Blacktock等人的(de)說法，非線性聲學理論(lun)認為，當兩個超聲主(zhu)音組(zu)合在一起時，可以產生每個主(zhu)音的(de)諧(xie)波以及和(he)音和(he)差音。

　　由于我們不經常聽正弦(xian)波(之前的研究檢查了(le)正弦(xian)波)，Elwood Norris 和 HyperSound的聯合創始(shi)人(ren)決定(ding)找到一種(zhong)方法在空氣中產生復雜的聲(sheng)波，如(ru)聲(sheng)音(yin)或音(yin)樂。就 HyperperSound 應用(yong)而言，在人(ren)類聽覺范圍(wei)內產生這些不同音(yin)調是非(fei)常重要的。

　　其結果是一(yi)套(tao)電子、數字信號處理和一(yi)套(tao)專利算(suan)法，該算(suan)法創建了復雜(za)的(de)(de)波形(xing)，其中(zhong)(zhong)包含在空氣中(zhong)(zhong)產(chan)生不同音調所需的(de)(de)所有組件，然后從(cong)一(yi)個(ge)單一(yi)的(de)(de)超聲(sheng)發射器(qi)(參量陣揚聲(sheng)器(qi))投射出波形(xing)。因為這個(ge)發射器(qi)的(de)(de)工(gong)作原理是空氣中(zhong)(zhong)的(de)(de)非線性，它(ta)產(chan)生了一(yi)個(ge)高度定向的(de)(de)聲(sheng)波束。

　　HyperSound是如何工作的

　　“在空(kong)氣(qi)中”產生聲音的(de)過程(cheng)

　　超聲學和音頻

　　HyperSound 通(tong)(tong)過一系列過程創建可聽(ting)到(dao)的(de)(de)(de)聲(sheng)(sheng)音(參(can)見下(xia)(xia)面(mian)的(de)(de)(de)圖)。將音頻信號(hao)發送(song)到(dao)專有(you)(you)的(de)(de)(de)電子預處理(li)電路、失(shi)真(zhen)控制電路，然后通(tong)(tong)過倍增器(qi)電路產生復合超(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)/聲(sheng)(sheng)波波形(xing)。然后這個信號(hao)被放大并直(zhi)接發送(song)到(dao)HyperSound 超(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)波發射器(qi)。在揚聲(sheng)(sheng)器(qi)前(qian)產生一束超(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)波能量，它包含空氣(qi)分子產生可聽(ting)聲(sheng)(sheng)音所(suo)需的(de)(de)(de)所(suo)有(you)(you)屬性(xing)。我(wo)們能聽(ting)到(dao)的(de)(de)(de)聲(sheng)(sheng)音沿著(zhu)這一波束被解(jie)調(diao)，在空氣(qi)分子中通(tong)(tong)過向下(xia)(xia)轉(zhuan)換過程產生在可聽(ting)到(dao)的(de)(de)(de)頻率范(fan)圍內產生有(you)(you)規(gui)律的(de)(de)(de)聲(sheng)(sheng)音。

　　HyperSound能產生(sheng)高指向(xiang)的(de)(de)超聲(sheng)(sheng)(sheng)波能量(liang)束轉換(huan)為空(kong)氣中可聽到(dao)的(de)(de)聲(sheng)(sheng)(sheng)音。波束的(de)(de)長度決定了音頻(pin)的(de)(de)方向(xiang)性(xing)。這種(zhong)聲(sheng)(sheng)(sheng)音比傳統的(de)(de)揚(yang)聲(sheng)(sheng)(sheng)器在更遠的(de)(de)距離上具有方向(xiang)性(xing)。

　　圖1展示了HyperSound音頻(pin)(pin)(pin)波(bo)(bo)束系統(tong)的功能示意圖。首先，發(fa)射的超聲波(bo)(bo)是聽不見的，但(dan)當它把(ba)音頻(pin)(pin)(pin)信號壓在空氣中的載體上時，音頻(pin)(pin)(pin)信號被參(can)數陣(zhen)列效應解(jie)調，變成可聽聲。這種解(jie)調的音頻(pin)(pin)(pin)波(bo)(bo)保留了超聲波(bo)(bo)的指(zhi)向(xiang)性(xing)，從(cong)而產生音頻(pin)(pin)(pin)波(bo)(bo)束。

　　HyperSound創新

　　HyperSound技術(shu)的(de)關(guan)鍵(jian)發展(zhan)

　　挑戰商(shang)業(ye)音頻技術創新的(de)極(ji)限。

　　自上世紀 90年代末 HyperSound誕生(sheng)以(yi)來，在原有的系統(tong)設計(ji)和功能(neng)上進行(xing)了無數的創新。創新的關(guan)鍵領域包括:

　　發射極設計: HyperSound的發(fa)射極(ji)和放大(da)器設計已經得到了(le)巨大(da)的改進，以優化其在(zai)商業(ye)環境中的應用(yong)。此外，發(fa)射極(ji)面(mian)板的創新設計提(ti)高了(le)音(yin)頻(pin)音(yin)量(liang)與面(mian)板尺寸(cun)的比例，允(yun)許(xu)生產(chan)更小的面(mian)板。

　　調制: 在 HyperSound 廣泛的(de)創新中，可(ke)能是直(zhi)接與調制相關的(de)最重要和最有前途的(de)交易; 更具體地說，是對 HyperSound 復(fu)雜且(qie)高度(du)復(fu)雜的(de)調制算法的(de)改進。這些專利(li)改進糾正諧(xie)波失真和互調，提高音(yin)頻(pin)質量和頻(pin)率響應(ying)。

　　電子:  HyperSound的核心電子組(zu)件也進行了(le)多(duo)次(ci)革新，新專利的發(fa)布使系統更加穩定(ding)，技術(shu)更加完善。例如，它的電路(lu)經過(guo)了(le)技術(shu)改造(zao)改進和(he)先進的匹配設備被引入(ru)，導致系統效(xiao)率提高。電子技術(shu)的進步也使低(di)壓電纜的使用(yong)和(he)更低(di)的整(zheng)體功耗成為可能。

　　主要特征和優點