声频定向扬声器在业界又被称作声束扬声器（Audio beam loudspeaaker), 音频聚光灯(Audio spotligth), 超声频声音系统(Hypersonic sound system), 指向性声学系统(directional acoustics systerm), 参量扬声器(parametric loudspeaker), 参量声学阵列(parametric acoustics array)等，作为一种新型扬声器目前还没有统一的名称。由于其利用超声波在空气传播中的非线性交互作用产生高指向性自解调可听声，可实现声频的定向传播，因此个人称之为声频定向扬声器更为贴切。签于国内业界对此类扬声器的基本原理，发展历史，研究现状，技术热点及应用前景作一较为全面的介绍，以供电声业界人士参考。一. 基本原理与系统特点对声频定向扬声器的研究最早可追溯到18世纪中叶心理声学中 Tartini 音调的发现，即当两个音一齐发声时如果是稳定的话，同时发出的第三个音也是可听得见的。Tartini 音调是一个主观的音调，即使是两列频率很近的超声波信号也可使人听到这种线性叠加的声音变动。后来，Helmholtz 证实了两个音调在空气中传播可以通过非线性作用产生它们的差频，和频信号，其理论及公式预测与测得数据的吻合支持了该结论的正确性。根据 Helmholtz的理论，两平面波在不均匀介质中非线性传播的二阶场关系可描述为如图1所示的关系。当向超声换能器输入两个频率分别为 f1,f2的电信号时，超声换能器通过机械振动向空气中发射两列频率分别为 f1,f2的超声波。这两列超声波在空气中产生非线性交互作用，从而最后生成了包括原超声信号 f1,f2和频信号 f1+f2及差频信号 f1-f2的复杂声波。由于声吸收系数 a 与频率的平方成正比，频率较高的超声波信号 f1,f2,f1+f2将很快被空气吸收掉，剩下处于声频范围内的差频信号 f1-f2在空气中高指向性传播。贝尔实验室对这种由声波在空气中的“变形传播”的非线性作用产生新频率成分声波的机理作出了合理解释。声波是否具有指向性，与声波波长与声源尺寸的比率密切相关。当声波波长远大于声源尺寸时，声波没有指向性；当声波波长接近直至远小于声源尺度时，声波将逐步呈现出越来越强的指向性。声频波波长处于17mm-17m 之间，大部份声频波波长都远大于声源尺寸，因此声频范围一般是没有指向性的。而图1所示，处于声频范围内的差频信号 f1-f2为何具有强指向性呢？1962年12月， Brown University 的物理学教授 Peter Westervelt 在他的一篇论文中首次提出了参量阵(parametric array)的概念，对这种现象作出了合理解释，其基本原理如图2所示，换能器向空气介质中发出强烈调制的超声波，超声波在沿其传播轴前进过程中不断通过非线性作用解调出声频信号，这些不断解调出来的声频累积叠加起来，由此，一个端射式虚拟声源阵列(end-fire virtual array)通过这种方式实现了。这个虚拟声源阵即所谓的参量阵。参量阵使得声频波的能量在声波前进方向上不断的得到加强，而由于超声波具有较强的指向性，在传播主轴方向以外这种叠加加强效应很微弱，这最终导致声波在主传播轴方向具有了很高的指向性。参量阵的提出为产生高指向性声频波的实现提供了理论依据.1965年，在 Westervelt 参量阵研究的基础上， H.O.Berktay 进一步提出了关于参量阵的精确的，更完整的理论解释，更为重要的是他推导出参量阵的自解调声频波正比于原输入信号包络平方的二次时间导数，这为以后声频定向扬声器的信号处理提供了理论依据。声频定向扬声器正是利用了参量阵原理来产生高指向性可听声。从声频定向扬声器的工作原理可以看出。它具有以下系统特性：1）能发射高指向性声频波，这是传统扬声器无法做到的；2）与传统扬声器通过机械振动激励空气直接发出可听声相比，它是先发出超声波，然后由超声波在空气中通过非线性作用自解调出可听声，即间接发出声频波；3)所发声频波能量集中,在传播过程中大部份能量位于传播轴附近，因此与非指向性声源向各个方面辐射能量相比，其衰减要慢得多，这使得它的声频传播距离更远；4）传统扬声器在扬声器口时音量最大，而声频定向扬声器的声音是沿传播轴逐渐解调并不断叠加形成的，因此其能量在接近参量阵有效长度时才达到最大值。5）换能器所发出的超声波及由于非线性作用产生的超声波会在空气中快速衰减掉，最后只留下声频波在空气中高指向性传播.6)通过多个换能器组阵（事实上目前声频定向扬声器绝大部份是以换能器组阵的方式进行研究的） ，可通过相控阵原理实现声束在换能器平面前半空间内任意角度的指向性传播，这种功能可摆脱机械式摆动的控制特点，纯粹以电路设计及信号处理方式快速改变声束的传播角度。二. 声频定向扬声器的研究热点主要集中于以下几个方面：1）信号处理方式与算法：目前信号处理系统主要由模拟电路，FPGA,DSP, DSP+FPGA 等几种硬件实现方式 ,比较起来 DSP 处理具有较高灵活性，成本低等特点 ;信号处理则主要有平方根，双积分开方，DSB 调制，截断 DSB 等算法，其根本目的在于实现声频定向换能器的高电声效率与低失真度，并获得合理的带宽,这三项性能任意两个都很好解决，但代价是使第三者最大化。2) 换能器设计：现成的压电晶片换能器常出现阵列单元间的不匹配，边带幅值失常，带外分谐波落入可听范围，阵列昂贵，失真度高，超声带宽不足，输出功率小等诸多问题，因此设计新的换能器成了声频定向扬声器研究的一大关键。3) 线性超声波段功率放大器关键技术：要求在低波峰因素时具有良好的放大效率，有效功率转化为负载时阻抗匹配，放大器在有效频带内具有较好的线性放大能力以不产生波形失真，具有有效的超声波电抗性负载。4) 超声波对人体危害，系统级集成与匹配，声束电子偏转方法与实现方法，声场计算与仿真等研究领域也受到了广泛关注。三. 声频定向扬声器的应用前景声频定向扬声器具有极其广泛的前景，如可应用于汽车，轮船，飞机，火车等交通工具上，使这些交通工具的扬声器/鸣笛声只沿着其行进方向传播, 从而可从根本上减弱或消除由于交通工具给环境造成的噪声污染.它还可用于汽车，飞机，火车，餐厅，游戏室，网吧，多国会议等需要局部声波传播而区域间不产生声音的相互干扰的场合，例如它可为交通工具上不同座位间提供不同的背景声音服务而不产生干扰.此外，声频定向技术还可以应用于汽车电话保密接通，银行提款机语音提示，大型办公大楼引路导引，盲人指路，智能楼宇安全保卫，电视音响指向性收听等诸多场合，其广阔的应用前景赋予了其强劲的生命力。声频定向扬声器是第一种可以同时实现声频波在空气传播的空间分布控制及声源位置控制（通过界面反射，形成虚拟声源）的新一代扬声器。目前国际上仅有美国 ATC 公司具有系列商业化产品，但仍处于初级阶段,国内市场还基本处于未开发状态。