引言

雖然“隱形的聲音”聽起來有點(diǎn)荒謬，但它卻是描述身臨其境的聲音或你在媒體娛樂中可以實(shí)際感受到的聲音的一種常見方式。想象一下《侏羅紀(jì)公園》中霸王龍出現(xiàn)時(shí)的情景，幾場(chǎng)小型地震引起了標(biāo)志性的水杯震動(dòng)，預(yù)示著霸王龍的出現(xiàn)。大型影院使用大功率低音炮（超低音揚(yáng)聲器）營(yíng)造出這種震撼效果，通過壓力波使整個(gè)房間搖晃、嘎嘎作響。但這種解決方案不一定適合家庭影院或音響系統(tǒng)，還有一些方法可以達(dá)到這種效果，而不需要比較影響鄰居的低音炮。這種解決方案被稱為觸覺傳感器或“隱形”聲音傳感器。這些傳感器附著在通常與觀眾接觸的物體上，并根據(jù)音頻設(shè)備發(fā)出的低頻聲音信號(hào)使物體發(fā)生振動(dòng)。

隨著越來越多的消費(fèi)者希望增強(qiáng)自己的家庭影院/音響系統(tǒng)，而不是去當(dāng)?shù)仉娪霸簩で蟠碳?，家庭音響市?chǎng)正在迅速擴(kuò)大。本文將向讀者介紹有關(guān)聲音傳感器（特別是觸覺傳感器）的基本知識(shí)，以及它們?cè)诩彝ヒ繇懓l(fā)展中所起的作用。

圖源：New Africa/stock.adobe.com

作者：Jean-Jacques DeLisle，貿(mào)澤電子專稿

發(fā)布日期：2023年1月13日

聲音傳感器簡(jiǎn)介

聲音傳感器是用戶感知或產(chǎn)生的聲波與提供現(xiàn)代音頻體驗(yàn)的電子設(shè)備之間的橋梁。從本質(zhì)上來說，聲音傳感器是一種將~20Hz至~20kHz頻率范圍內(nèi)的聲波轉(zhuǎn)換為電信號(hào)（或?qū)㈦娦盘?hào)轉(zhuǎn)換為聲波）的設(shè)備。

作為一種發(fā)聲器，聲音傳感器利用電能產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，刺激傳感器表面的空氣，從而產(chǎn)生聲波。使用電能并將聲音頻率范圍內(nèi)的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為聲波輸出的設(shè)備通常稱為“揚(yáng)聲器”。一般來說，原始音頻信號(hào)的功率相對(duì)較低，必須先饋送到音頻前置放大器，然后再饋送到音頻放大器，才能達(dá)到驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器系統(tǒng)所需的功率水平。

揚(yáng)聲器的樣式和技術(shù)豐富多樣，一般按其用途和所覆蓋的可聽頻率范圍進(jìn)行分類。貝斯音箱，也稱為低音揚(yáng)聲器（圖1）, 通常覆蓋40Hz至1kHz的頻率。

圖1：貝斯音箱，也稱為低音揚(yáng)聲器。（圖源：surasak/stock.adobe.com）

當(dāng)然，低音炮覆蓋的頻率范圍低于低音揚(yáng)聲器，一般從20Hz到200Hz。中音揚(yáng)聲器覆蓋的頻率范圍超過低音揚(yáng)聲器，在200Hz到5kHz之間。高音揚(yáng)聲器則覆蓋更高的可聽頻率范圍，其發(fā)射頻率約為2kHz至20kHz。其他揚(yáng)聲器，如大音量揚(yáng)聲器和全頻揚(yáng)聲器，覆蓋的頻率范圍更廣。不過，由于它們對(duì)較低和較高頻率范圍的再現(xiàn)能力有限，或在保真度方面有潛在問題，因此往往無法產(chǎn)生具有沖擊力的音頻。

但揚(yáng)聲器并不是唯一的聲音傳感器類型。麥克風(fēng)的功能與揚(yáng)聲器正好相反。麥克風(fēng)（或者更通俗地說，聲音探測(cè)器）會(huì)對(duì)傳感器表面的機(jī)械振動(dòng)刺激做出反應(yīng)，并產(chǎn)生相應(yīng)的電信號(hào)。由于這些信號(hào)通常功率很低，因此經(jīng)常使用音頻放大器來提高麥克風(fēng)信號(hào)的增益，以實(shí)現(xiàn)更好的重現(xiàn)或轉(zhuǎn)換。

什么是隱形音頻系統(tǒng)

在可聽頻率范圍之外，還有低于可聽范圍的聲音（稱為次聲波），以及高于可聽范圍的聲音（稱為超聲波）。次聲波一般指0.1Hz到20Hz之間的聲音，大多數(shù)人聽不到，但如果聲音足夠強(qiáng)，就能感覺到。次聲波也是一個(gè)很有用的頻率范圍，可用于監(jiān)測(cè)地震，通過大量的土壤進(jìn)行地質(zhì)研究，以及通過心沖擊描記術(shù)和心臟振動(dòng)描記法研究心臟力學(xué)。 關(guān)于次聲波的另一個(gè)有趣現(xiàn)象是，大象利用次聲波進(jìn)行遠(yuǎn)距離交流，因?yàn)樵谶@個(gè)頻率范圍內(nèi)，長(zhǎng)波長(zhǎng)的聲音比高頻率的聲音更能高效地穿過稠密的大氣層。需要注意的是，天然和人造系統(tǒng)通常需要相當(dāng)大的體積才能產(chǎn)生如此低的聲音頻率。

與次聲波相反，超聲波的頻率范圍超過20kHz，波長(zhǎng)比大多數(shù)人能聽到的頻率更短。這些極短的聲音頻率在大氣中會(huì)迅速衰減，因此其傳播范圍有限。不過，超聲波頻率也會(huì)從許多表面（包括人體和動(dòng)物組織）反射出來。因此，超聲波傳感器和傳感系統(tǒng)被用于醫(yī)療超聲機(jī)器，對(duì)人體內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行非侵入式觀察。出于同樣的原因，蝙蝠使用超聲波進(jìn)行回聲定位，因?yàn)檫@些高頻聲波也會(huì)從昆蟲的身體結(jié)構(gòu)和大多數(shù)固體物體上反射出來。

大多數(shù)人都聽不到次聲波和超聲波頻率（圖2）。不過，次聲波如果足夠強(qiáng)，就能夠感覺到。許多自然現(xiàn)象和人類活動(dòng)會(huì)同時(shí)產(chǎn)生次聲波和可聽聲音，這是體驗(yàn)的重要部分。想想附近發(fā)生雷擊時(shí)的雷聲，噴氣式飛機(jī)起飛時(shí)在機(jī)艙內(nèi)的感覺，以及地震時(shí)的“轟鳴聲”。

圖2：聲波圖。（圖源：designua/stock.adobe.com）

這些看不見的聲音是一種內(nèi)在的直觀體驗(yàn)，但作為許多娛樂系統(tǒng)整體體驗(yàn)的一部分，它們常常會(huì)被忽視。而在電影院、音樂會(huì)以及現(xiàn)代沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí) (VR) 和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí) (AR) 娛樂系統(tǒng)中卻相反，這些系統(tǒng)專門配備了次聲波傳感器或大功率低音炮，讓用戶不僅能聽到聲音，還能感受到聲音。

家庭音響/娛樂系統(tǒng)中的觸覺傳感器

對(duì)有些人來說，這可能聽起來像是很奇特的音響系統(tǒng)設(shè)置。但它其實(shí)相對(duì)來說更簡(jiǎn)單，有很多方法可以將這些隱形音頻系統(tǒng)集成到家庭音響/娛樂設(shè)備中。從本質(zhì)上講，隱形聲音傳感器只是娛樂設(shè)備中安裝的次聲波或可聽聲音傳感器，能讓用戶感受到來自傳感器的振動(dòng)。大型影院和音樂表演場(chǎng)所使用巨大的低音炮來達(dá)到這種效果，而游戲控制器配備振動(dòng)功能也已有幾十年的歷史。只需將傳感器安裝到用戶座椅的結(jié)構(gòu)或支撐部件上，就可以將觸覺傳感器集成到家庭音響/娛樂設(shè)備中。 使用一套觸覺和聲音傳感器甚至可以產(chǎn)生更豐富的物理刺激感，超越單純的 "低音震撼 "音響系統(tǒng)。

家庭娛樂的這種演變就像過去許多家庭音響系統(tǒng)開始在整個(gè)聆聽環(huán)境中加入額外的揚(yáng)聲器一樣，每個(gè)揚(yáng)聲器都由更多的內(nèi)部揚(yáng)聲器元件組成。這些揚(yáng)聲器元件設(shè)計(jì)用于在特定頻率范圍內(nèi)更準(zhǔn)確、更悅耳地產(chǎn)生更高保真的聲音，它們被布置在周圍環(huán)境中，以確保更強(qiáng)的沉浸感和更完美的聽覺體驗(yàn)。

將次聲波傳感器和觸覺傳感器納入這種家庭音響/娛樂裝備，可帶來更豪華的體驗(yàn)，并能提供更深的沉浸感。隨著游戲室和家庭影院中VR/AR裝備的出現(xiàn)和日益普及，越來越多的用戶正在尋找各種方法來增強(qiáng)他們的游戲、觀賞或聆聽體驗(yàn)，使其更加逼真或至少更加令人興奮。甚至有專為VR/AR裝備設(shè)計(jì)的座椅系統(tǒng)，集成了大量電子元件，讓用戶能夠更加輕松地進(jìn)入廣闊的VR/AR體驗(yàn)空間。

要用隱形聲音增強(qiáng)家庭音響/娛樂系統(tǒng)，用戶可以用電子元件升級(jí)他們的座椅、娛樂裝置或佩戴的設(shè)備，這些電子元件由娛樂系統(tǒng)的低頻范圍音頻輸出提供信號(hào)，例如杜比系統(tǒng)中的低頻音效 (LFE) 聲道。這些系統(tǒng)的工作方式與低音炮大致相同，但在某些情況下，其頻率甚至比低音炮還低，從而增強(qiáng)了用戶所能感受到的隱形音頻頻譜。

結(jié)語(yǔ)

隱形音頻系統(tǒng)很可能是家庭音響/娛樂領(lǐng)域的下一個(gè)風(fēng)口，因?yàn)槿藗冊(cè)絹碓较矚g在家里而不是影院看電影，而且VR/AR系統(tǒng)的應(yīng)用也在不斷增加。隱形音頻技術(shù)已經(jīng)存在了幾十年，但在家庭音響/娛樂系統(tǒng)中仍較為罕見。隨著家庭游戲和娛樂的不斷發(fā)展，用戶對(duì)座椅和互動(dòng)系統(tǒng)的需求也將與娛樂同步增長(zhǎng)。

作者簡(jiǎn)介

Jean-Jacques (JJ) DeLisle曾就讀于羅切斯特理工學(xué)院 (RIT)，并獲得了電氣工程學(xué)士學(xué)位和碩士學(xué)位。在學(xué)習(xí)期間，JJ從事射頻/微波研究，為大學(xué)雜志撰稿，并且是RIT第一個(gè)即興喜劇團(tuán)的成員。在拿到學(xué)位之前，JJ就擔(dān)任了Synaptics公司的集成電路布局和自動(dòng)化測(cè)試設(shè)計(jì)工程師。經(jīng)過6年開發(fā)和鑒定內(nèi)置同軸天線和無線傳感器技術(shù)的原創(chuàng)性研究，JJ在提交了多篇技術(shù)論文并獲得一項(xiàng)美國(guó)專利后離開了RIT。

為了進(jìn)一步發(fā)展他的事業(yè)，JJ和妻子Aalyia搬到了紐約市。在這里，他擔(dān)任了《Microwaves & RF》（微波與射頻）雜志的技術(shù)工程編輯。在此期間，JJ學(xué)會(huì)了如何將他的射頻工程技能以及技術(shù)寫作熱情結(jié)合起來。

在JJ職業(yè)生涯的下一個(gè)階段，他看到行業(yè)內(nèi)對(duì)有技術(shù)能力的作者和客觀的行業(yè)專家有很大的需求，于是轉(zhuǎn)而創(chuàng)辦了自己的公司RFEMX。朝著這個(gè)目標(biāo)前進(jìn)，JJ擴(kuò)大了自己公司的業(yè)務(wù)范圍和愿景，開始從事信息交換服務(wù) (IXS) 業(yè)務(wù)。