在中国的夏夜,将会有一种“神秘的力量”在全国范围内被命名为“广场舞大妈”。它们一年四季都携带高功率声音,占据有利地形,并对周围居民进行噪音攻击。此前,也有新闻报道称,居民花了26万元购买定向音响来应对广场舞者。然而,这是谁的定向声音?

首先,我们通常听到的绝大多数音箱实际上发出360度的声波,即球面波。在不同的频率和角度下,声波能量当然会不同,但是普通扬声器侧面和背面的声波能量比预期的要大得多,尤其是在低频时,这基本上是无方向性的。高频带的方向性较强,但在后侧(45度/315度)衰减仅约3~6分贝。因此,如果你把家里的音箱拿出来,你会明白即使你没有面对音箱,声音仍然很大。

那么,我们如何才能集中我们的声音或使用专业术语来增强方向性呢?最常见的做法是在喇叭单元前添加喇叭,就像舞厅中的高音扬声器和专业扬声器一样。喇叭扬声器的低频没有改变,但是中高频带的方向性得到了加强。基本上,垂直和水平方向可以控制在100度以内,超过这个角度的衰减可以超过12分贝。传统的喇叭系统如下:

从喉部到喇叭出口的中部和两侧的距离各不相同。那么声音传播的时间也是不同的(也就是说,出口部分的相位角是非常不同的),所以出口部分的波前往往是以喉部为中心的球面波。然而,即使带有喇叭的扬声器是球面波,声波的扩散角也远小于普通扬声器。然而,如下图所示,对目前的远程投影喇叭进行了一些改变。在八字角的中间部分添加一个菱形插头。喇叭中部的菱形塞可以延迟喇叭中部的高音声波,使从喇叭喉部到喇叭出口的时间相等。换句话说,声波在喇叭出口各部分的相位角是相同的。然后,喇叭出口处的波前趋于圆柱形。

除了喇叭之外,另一种方法是使音箱发出由多个喇叭单元排列的圆柱形波。广播声柱是一个相对容易看到的圆柱形波音箱,具有很强的垂直指向性和一般的水平指向性。如果方向性要进一步加强呢?声学工程师已经开发出“线性阵列”扬声器。你可能在体育场见过它,如下图所示。线阵是通过物理电子叠加的方法来处理多个中高间距单元,可以非常精确地控制指向性。物理方法是在每个单元前增加一个声学透镜,而电子方法是将音频信号数字化,按频率划分并进行复杂的数字效果处理,然后将其转换为模拟信号,以独立地放大和驱动每个单元。

此外,还有一个有源定向扬声器,它利用不同频率声波的特性来达到定向的目的。较高频率的波具有较好的方向性,而较低频率的波在传播过程中很容易绕过障碍物。例如,蝙蝠使用具有良好方向性的超声波来定位,而地震产生的次声波可以绕地球几次。不同于传统扬声器的原理,有源指向性扬声器首先将低频声音信号加载到具有强指向性的高频信号上,然后将低频声音信号放大发射到空中,然后空中对高频信号进行快速滤波,高频信号上的可听声音信号自然被滤除,从而实现像激光一样的定向传播。有源定向扬声器可以控制特定区域的声波。这个区域的声波很强,但是在这个区域之外,声波会很弱甚至消失。