無需耳機也能實現私密收聽？也許有一天你可以像電影《沙丘》中的聲音屏蔽場那樣，就算沒有佩戴耳機也能在不打擾周圍人的情況下，以“裸耳形式”收聽自己喜歡的播客或歌曲。

近日，來自美國賓夕法尼亞州立大學的研究人員創建了一種遠程音頻點，并將其命名為可聽聲域。其具備 125Hz 至 4kHz 的寬帶，并具有高度本地化的特點，能夠精確地縮小聲音被感知的范圍。

（來源：Poornima Tomy/Penn State）

本次技術的實用性體現在：其實施尺寸為 0.16 米，這一長度相當于 125Hz 下 0.06 個波長。在寬帶瞬態音頻信號激勵下，其能在包含混響的普通房間內發揮穩健的性能。

為了驗證本次技術的有效性，研究人員使用了一個軀干假人，其耳朵內裝有麥克風，以便模擬人類在超聲波束軌跡上各點所聽到的聲音。

同時，他們使用第三個麥克風來掃描交叉區域，借此確認除了交叉點之外聲音是不可聽的，從而證明確實形成了可聽聲域。

研究團隊通過數值分析和相關實驗，驗證了這種基于超表面的方案的超寬帶能力，證明其頻率范圍為 125Hz 到 4kHz，覆蓋了大部分可聽頻率范圍。

在具有正常混響的普通房間中，研究人員針對本次系統進行了成功測試，這意味著該技術能被用于教室、車輛甚至戶外等多個場景。

對于這種可聽聲域技術來說，它各種高級音頻工程應用中具有巨大潛力，包括用于私人語音通信、沉浸式空間音頻再現以及用于高分辨率聲音和靜音區控制等。

在公共場所比如圖書館或博物館，音頻隔離區可以為特定群體提供聲音，而不會打擾其他人。它甚至有可能被用于整個區域的噪音消除為噪音污染的城市帶來寧靜。

（來源：PNAS）

可聽聲域：堪比“虛擬耳機”，能打造有聲區和無聲區

實質上，研究人員等于造出了一款虛擬耳機。對于在可聽聲域內的人來說，他們能夠聽到僅僅針對自己的聲音，從而可以實現有聲區和無聲區的區分。

也就是說，用于創建可聽聲域的超聲波在傳播的路徑上無法被聽到，甚至可以通過彎曲來避開障礙物。只有當它們到達目的地時，人耳才能接收到聲波。

目前，研究人員能將聲音以遠程方式傳輸到距離目標大約一米遠的地方，聲音音量大約為 60 分貝，這相當于人類正常說話時的音量。

有了這一技術，無論我們身處于封閉空間（比如車內），亦或是直接站在聲源前，只有站在可聽聲域里的聽眾才能聽到聲音，而站在附近的其他人卻聽不到。也就是說，即便一個的聲音穿過熙攘人群，但是最終只會被一個人聽到。

據了解，研究人員通過發射兩束非線性超聲波產生了可聽聲域。在這些可聽聲域里，聲音只有在兩束超聲波的精確交叉點才能被感知到。

研究中，研究人員使用兩個超聲波換能器與一個聲學超表面配合，它們會發射出在某一點相交的自彎曲超聲波束，這時就等于打造出一個隱私屏障，能夠實現私密的聆聽。

假如途中遇到障礙物，又該如何應對？這時，另一項關鍵創新便派上用場：可彎曲的超聲波束。超表面能在聲波傳播過程中精確地操縱其路徑，其工作方式類似于光學透鏡彎曲光線的方式。

研究中，他們通過略微不同的頻率來投射每個光束。例如，一個光束的頻率為 40000Hz，另一個光束的頻率為 39500Hz。當它們相交時，交叉的光束會產生一個新的聲波，其頻率等于兩束光之間的頻率差。

在這種情況下，產生的聲波頻率為 500Hz，恰好處于人類聽覺的中頻范圍內。中頻范圍，指的是頻率范圍在 200Hz-2kHz 之間的頻段。這個頻段包含了很多人耳聽起來比較清晰和明亮的聲音成分。

通過將超表面放置在兩個換能器前面，超聲波會以兩個略有不同的頻率沿著新月形軌跡傳播，直到它們相交。

這兩束光本身都是不可聽的，但是光束可以繞過障礙物比如人的頭部，進而到達指定的交叉點。只有當它們交匯在一起時，才會產生局部非線性相互作用，從而產生可聽的聲音。

雖然人耳聽不到由聲學超表面產生的自彎曲超聲波束，但是自彎曲超聲波束可以繞過人體頭部等障礙物。

在障礙物后的交叉處，由于局部非線性相互作用，能夠形成一個高度局部化的可聽聲域。

總的來說，通過結合局部聲學非線性效應以及自彎曲超聲波束，并利用具有不同光譜的兩個自彎曲超聲波束的局部非線性相互作用，讓本次技術克服了線性聲學的物理限制，為未來音頻工程的可能性鋪平了道路。

（來源：PNAS）

可聽聲域：誕生于一片“未被開墾的領域”

對于現代多區域聲音再現技術來說，它的最終目標是為多個聽眾提供個性化、無界面的音頻，以便最大限度地減少對于其他區域的干擾，同時完全無需物理隔離，也完全無需使用耳機等可穿戴設備。

在研究相關課題時，領域內的研究人員經常要在復雜的聲學混響環境中，比如在房間或在汽車駕駛艙中創建個人聲音區或靜音區。但是，墻壁反射和人體頭部等障礙物的散射會帶來諸多挑戰。

而只有克服這些挑戰，才能實現私密語音通信、實現無串擾和溢出效應的空間音頻，以及實現有效的主動噪聲控制。

在先進波前工程（Advanced Wavefront Engineering）領域，自彎曲超聲波束是近年來的一項研究重點，并為解決上述問題提供了潛在解決方案。

自彎曲超聲波束，是一種特殊的超聲波束，它具備抗干擾的特點，當它沿著曲線軌跡傳播的時候可以繞過障礙物。

憑借這一獨特性質，讓其已被用于非接觸式物體操控和非侵入性生物醫學成像等領域。

在音頻工程領域此前已有研究證明：自彎曲超聲波束能將音頻內容傳輸到人類頭部周圍。

但是，由于長波音頻波的衍射特性，這不僅需要龐大的聲源，還得使用昂貴的數字信號處理平臺。

例如，此前有一項研究的實驗要求聲源尺寸為 2.6 米，以便能在波長為 8.6 厘米的 4kHz 聲波下繞過半徑為 0.1 米的人頭，同時還得在 64 個通道上開展大量的信號處理。

而在波長為 3.43 米、低至 100Hz 的音頻頻率上實施這些技術，則會面臨更大的挑戰。因為，這不僅需要更大的聲源尺寸。并且，由于波長較長導致在普通房間內更容易受到聲學混響的影響。

即便如此，聲束軌跡上的聲音仍然是清晰可聞的，因此很難將其用于對于隱私性要求較高的應用中。

從本質上講，正是由于聲波衍射的存在，導致尖端音頻工程技術的進一步發展面臨著根本性的物理限制。

為了克服聲波衍射，人們曾提出各種基于線性聲學的技術，包括超材料、超振蕩和時間反演聚焦等。

近期，領域內開始使用一種名為非線性聲學的新方法被引入，以便進一步增強聲波的亞衍射控制。

由于聲波控制方程的固有非線性特性，導致在聲學中普遍存在著非線性效應。

在聲學中最常見的二次非線性現象中，當發射兩個頻率分別為 f1 和 f2 的主波時，會產生一個二階非線性分量即差頻波（DFW，difference-frequency wave），其頻率為 f = |f1 ? f2|。

這種操作的好處在于：它能繞過線性聲學中對于差頻波施加的衍射限制。當差頻波落在可聽頻率范圍之內，但是主波是不可聽的超聲波束時，這一操作將在音頻工程中變得尤為有益。

對于非線性聲學效應來說，它存在兩種截然不同的類型：累積非線性效應和局部非線性效應。

累積非線性效應源自于特定介質的非線性參數，并已被廣泛用于生物醫學成像等領域。

局部非線性效應，則由主波的局部拉格朗日密度決定，但是這一效應也經常被人忽視。（注：拉格朗日密度（Lagrangian density），是理論物理中的一個重要概念，在經典場論和量子場論等領域有著廣泛的應用。）

與此同時，對于以上兩種非線性聲學效應來說，此前均未有人將其與聲學中的自彎曲超聲波束進行結合，因此這仍是一個未知領域。

正是針對這一未開墾領域的嘗試，讓研究團隊以概念化的方式，實施并展示了可聽聲域的創建。

（來源：PNAS）

將使用深度學習減少非線性失真

對于可聽聲域來說，它是通過由亞波長超構表面和波源產生的兩束超聲自彎曲波束之間的局部非線性效應的相互作用來實現的，故能突破線性聲學中衍射效應所設定的基本限制。

實驗中，光束能夠繞過一些障礙物，這些障礙物包含圓柱體以及類似人體頭部的形狀，繞過之后會在障礙物后方形成一個高度局部化的可聽聲域，同時還能保持不可聽軌跡。

為了促進自彎曲超聲波束的產生，研究人員使用了 3D 打印的聲學超表面。

盡管在線性聲學領域聲學超表面通常與窄頻帶相關，但是本次研究表明當將聲學超表面用于非線性聲學領域時，它可以實現極佳的超寬帶性能，其頻率范圍涵蓋 125Hz 到 4kHz。

之所以能實現上述高性能是因為：在超聲頻率下的一個窄頻帶內操控波，能夠在音頻領域轉化出來一個較寬的頻率范圍。

在研究人員所打造的緊湊型實現方案中，其源孔徑尺寸僅為 0.16 米，相當于 125Hz 下 0.06 個波長，遠遠勝于基于線性聲學的方法。

此外，通過在普通房間內針對瞬態寬帶音頻信號激勵下的可聽包圍區進行觀察，研究人員證明了該技術對聲學混響的魯棒性。

總的來說，通過將局部聲學非線性與聽不見的自彎曲超聲波束相結合，研究團隊成功創建了一個可聽聲域，其能用于向目標區域遠程傳輸聲音內容，同時不會對聽眾造成干擾，甚至在聲束傳播路徑上也是如此。

這一技術融合了自彎曲超聲波束、非線性聲學和超表面，為音頻工程的發展提供了更多可能。

通過抵消原始噪聲場，這種可聽聲域或可用于創建靜音區，同時對于周圍區域的影響也能降到最低。

（來源：Poornima Tomy/Penn State）

目前，可聽聲域依然存在非線性失真的不足，從而會導致音頻質量不佳，尤其是在高保真寬帶聲音再現方面。

這種失真源于本次技術的固有非線性特性。但是，研究團隊相信通過利用經典非線性濾波器和數據驅動的深度學習方法的非線性補償技術，將有希望減輕這種失真。

參考資料：

https://www.psu.edu/news/engineering/story/audible-enclaves-could-enable-private-listening-without-headphones

https://futurism.com/sound-audible-enclaves

https://www.pnas.org/doi/abs/10.1073/pnas.2408975122

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