聲頻

聲頻又稱“音頻”。人耳可聞的振動頻率。頻率範圍約從20~20000赫。

實際上20赫茲的聲音是不易聽覺的！當聲壓很大時才能聽到，20赫茲以下屬於超低音。低音的主音區是在60赫茲，而人耳能聽見的最高音是15.8k赫茲，但是16-19K是無聲的，超高頻聲一般是通過人顱骨的振動感受到的，是一種感覺，也可以說一種聽感，但你實際上用耳朵沒有聽見。有些音響能放到35kHz，但再高會沒有意義了。

在電子行業內，常用晶體管設計出功率放大器用來驅動聲頻的信號，變到人類能聽懂理解的頻段。晶體管如今漸漸的和三極體的含義交叉。在聲頻處理中，還有一種和晶體管作用接近，但是一般在高端音響設備中用膽機處理。

聲頻定向系統目前在世界上又被稱作參量聲學陣（parametric acoustic array）、參量揚聲器（parametric loudspeaker）、音頻聚光燈（audio spotlight）、聲束揚聲器（audio beam loudspeaker）、超聲頻聲音（hypersonic sound）、指向性聲學系統（directional acoustic system）等等，尚未形成統一稱謂。與傳統揚聲器發出的聲波全向傳播不同，它可將可聽聲控制在空間中某一區域內定向傳播（相應技術被稱作“聲頻定向技術”）。在此區域外聽到的聲音將很微弱或根本聽不到聲音。聲頻定向系統的這種獨特聲波產生能力使其成為了第一種可實現可聽聲定向傳播的聲源。

作徠為一種新概念聲源，聲頻定向系統目前在世界上還處於研究的初級階段，其相關理論及技術還不很成熟。這些理論與技術上的不成熟阻礙了聲頻定向系統的進一步發展，解決這些問題對於推動聲頻定向系統的進一步發展具有重要意義。

聲頻定向系統是通過利用超聲波在空氣中的非線性傳播效應產生高指向性可聽聲的（即實現聲頻定向）。這種非線性過程可通過Helmholtz提出的非線性聲學理論進行初步的解釋。

根據Helmholtz的非線性聲學理論，兩平面波在不均勻介質中非線性傳播的二階場可描述為如圖2-1所示的關係。當向超聲換能器輸入兩列頻率分別為關、關的電信號時，超聲換能器通過機械振動向空氣中發射兩列頻率分別為f1、f2的超聲波。這兩列超聲波在空氣中傳播的過程中將產生非線性交互作用，從而生成了包括基頻f1、f2，其和頻f1+f2、差頻f1-f2及各階諧波在內的複雜聲波。由於聲衰減係數a與頻率的平方成正比，頻率較高的超聲波信號f1、f2、f1+f2及各次諧波將很快被空氣吸收掉，剩下處於聲頻範圍內的差頻信號f1-f2在空氣中繼續傳播。

聲頻定向系統的研究最早可追溯到18世紀中葉心理聲學中Tartini音調的發現，即當兩個穩定的音調一齊發聲時，由於它們的線性疊加而產生的第三個音也是可以聽得見的。Tartini音調是一個主觀音調，即使是兩列頻率很近的超聲波信號也能使人聽到這種線性疊加導致的聲音變動。此後，Helmholtz指出：兩個音調在空氣中傳播可以通過非線性作用產生它們的差頻、和頻。其理論預測結果與實測結果吻合。20世紀30、40年代，貝爾實驗室A.L. Thuras、 R.T. Jenkins、H. T.O'Neil及L. J. Black等進一步對這種由於聲波在空氣中“變形傳播”的非線性作用產生新頻率成分的機理做出了合理的解釋。此類早期的非線性聲學研究為利用聲波的非線性傳播效應產生可聽聲打下了基礎。

1962年，布朗大學的物理學教授Westervelt提出了參量聲學陣的概念。參量聲學陣的提出為利用空氣中聲波的非線性傳播效應產生指向性聲束提供了理論依據。1965年，Berktay進一步提出了參量聲學陣的精確的、更完整的理論解釋。更為重要的是，Berktay推導出了遠場中參量聲學陣自解調信號聲壓幅值正比於原輸入信號包絡平方的二次時間導，即“Berktay遠場解”。通過“Berktay遠場解”可知：只要將輸入信號中的所有頻率成分合理融入到一調製包絡中，最後就可以通過參量聲學陣得到包含這些頻率成分的高指向性聲束。這為利用參量陣原理製作聲頻定向系統提供了直接的理論依據。

參量聲學陣最初以其高指向性在水下聲納技術中得到了應用，這主要得益於其在低頻時的高指向性響應特性。但是，由於空氣的聲衰減係數比水的聲衰減係數要大得多，而其非線性係數卻較水的要小，這就使得在空氣中實現參量聲學陣相對比較困難。

商業研究群體以獲取商業利益為目的，故其研究成果很少公開發表。相反，學術研究群體則發表了較多的研究成果，並逐漸形成了以下幾個主要研究方向：

（1）聲束偏轉

該方向主要通過聲學相控陣原理來實現聲束的偏轉。例如：Olszewski等人採用機電複合的相控陣技術實現了聲束的偏轉。Yamada等採用自適應FIR濾波器對三個全向揚聲器的指向性進行了控制。新加坡南洋理工大學Gan Woon-Seng等提出相控陣的最小偏轉角受到數字系統採樣間隔限制，對於一個幾百kHz的採樣頻率而言，其最小的偏轉角度間隔較大（近260）；在此基礎上，提出了一種分別對載波和邊帶頻率進行延遲的演演算法，以使在不增大採樣頻率的情況下，通過最小的計算量得到最小偏轉角度。鑒於相控陣技術不能實現聲束的無級連續偏轉，因此其研究僅限於學術研究。

（2）信號處理理論與方法

早期的研究者在聲頻定向系統的信號處理方法方面取得到了一些成果，為聲頻定向系統的發展做出了較大貢獻。如日本研究人員提出了DSB法、SSB法及平方根法，並提出通過一個均衡器或換能器性能設計可獲得一個平坦的頻率響應特性以減小聲音失真；Pompei提出了一種較好的信號處理方法—雙積分又平方根法；美國ATC公司則提出了一種截斷雙邊帶（TDSB-Truncated Double Side Band）法，並指出SSB法可用於複雜信號的處理中。

近年來，這方面的研究也受到高度重視，例如：Yang Dekun等將進化演演算法應用到了參量聲學陣的信號處理當中；新加坡南洋理工大學的Karnapi Furi Andi等採用FPGA作為聲頻定向系統數字信號處理平台；Lee Kelvin Chee-Mun等則以一個帶寬效率遞歸執行方法開發了一個P階均衡器用於校正聲頻定向系統固有的基帶失真，並成功使帶內殘留失真成分的抑制水平大於70dB。

（3）聲場理論及聲束形狀控制

該研究方向主要包括聲場相關計算與求解、聲束形狀控制兩部分內容。這兩部分內容對於控制聲頻定向系統的聲波空間分佈、聲場特性評估具有重要意義。在聲場相關計算與求解研究工作中，Zheng M等對參量聲學陣解析解的角度響應進行了研究，並對偏離軸的遠場幅值及相位響應進行了解析求解；Sha Kan等提出了一種用於計算矩形平面源產生的散射聲束場的複合虛擬源法，使獲取精確解的時間比Fresnel積分及Ocheltree方法大大減少；Yang Jun等開發出了一種用於快速數字評估的非線性聲波傳播的擬線性解析求解法，並提出一種用於二階場內和頻與差頻、二次諧波成分快速數字評估的擬線性解析計算模型，成功將五維積分減少為一維積分。

在聲束形狀控制研究中，Pompei等提出通過採用大尺寸陣元以消除旁瓣的方法，並通過小心選擇陣元形狀、重疊單元，使得最大化掃描角度可被交換，從而減輕單元間的空間要求；Tan Khim、Jun Yang和Woon-Seng Gan等通過採用一種陣列信號處理演演算法—延時求和法，對解調信號的波束寬度與旁瓣進行控制，並指出採用Chebyshev權重函數可獲得旁瓣水平的改善；Jun Huang等壞良據惠更斯原理提出一個數學模型以模擬超聲線性陣列的聲場特性，得出了指向性函數，並詳細探討了換能器單元相互距離、換能器個數、單元寬度，以及換能器中心頻率給聲束指向性帶來的影響；2006年，Yang Jun等進一步提出了Chebyshev窗函數演演算法，以利用聲學非線性及陣列信號處理技術以控制聲束旁瓣水平，並採用SSB法，通過對載波和邊帶頻率添加不同權重，獲得了一個常寬聲束。

（4）換能器理論與技術

作為聲頻定向系統的關鍵部件，換能器性能對系統性能具有很大影響。這主要體現在換能器在較大程度上決定了聲頻定向系統輸出功率大小，音質好壞，指向性強弱與旁瓣、柵瓣大小等。但由於換能器具有製作難度大，與系統其它部分匹配困難等問題，因此大多數研究者並未對之進行深入研究。除ATC公司外，其他研究者一般都購買現成產品組裝成換能器陣，這在很大程度上導致了他們在聲頻定向系統實現上的困難。雖然在換能器關鍵技術上進行的研究較少，但在其設計理論上還是有研究者進行了相關研究，如Jun Yang等提出了一種用於決定矩形聲源的自、互輻射阻抗的通用求解法，採用該方法可有效地計算獨立成型、位於硬無限障板上的活塞式聲源的輻射阻抗；Kan Sha、Jun Yang等另外也開發了一種數字模型以計算無限障板內安裝的均一、柔性振動矩形片的自、互輻射阻抗。

（5}應用研究

作為一種新概念聲源，目前聲頻定向系統的應用領域還不十分明朗，為此一些研究者對該領域進行了相應的探索，如Kanemaki N等認為聲頻定向系統可用於電信會議中；K. Aoki等認為聲頻定向系統可應用於人行道上，通過聲音引導行人（尤其是盲人）安全行走；Nakadai Kazuhiro等提出聲頻定向系統可用於人與人形機的聲音交互中，即給人形機安上一個聲頻定向系統，這樣當人與人形機同時說話時，人形機只會接收到人的聲音，從而可提高人形機的語音識別能力；Svanfeldt Gunilla等則提出聲頻定向系統可應用於語音失真分析上。

（6）功率放大技術

早在20世紀70年代就有人提出採用單頻載波開關調製作為一種提高水下聲學參量陣電聲效率的簡單、實用方法，該方法接近於理想效率。在較長的一段時期內，採用類似方法以提高聲頻定向系統電聲效率一直為眾多研究者所採用。

（7）替代技術研究

除了利用超聲波在空氣中的非線性傳播效應產生高指向性可聽聲外，Enomoto Seigo等提出可利用邊界面的控制原理來實現一種新的指向性聲源，並通過數字計算與實驗對其系統設計與控制效應基本特徵構建準則進行了驗證。