“隱形”聲音體驗 觸覺傳感器為家庭音響帶來令人陶醉的沉浸式“隱形”聲音體驗

引言

雖然“隱形的聲音”聽起來有點荒謬，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)時的情景，幾場小型地震引起了標(biāo)志性的水杯震動，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）營造出這種震撼效果，通過壓力波使整個房間搖晃、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)出的低頻聲音信號使物體發(fā)生振動。

隨著越來越多的消費者希望增強(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?，家庭音響市場正在迅速擴(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，以及它們在家庭音響發(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（或?qū)㈦娦盘栟D(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，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，原始音頻信號的功率相對較低，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，聲音探測器）會對傳感器表面的機(jī)械振動刺激做出反應(yīng)，并產(chǎn)生相應(yīng)的電信號。由于這些信號通常功率很低，因此經(jīng)常使用音頻放大器來提高麥克風(fēng)信號的增益，以實現(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。次聲波也是一個很有用的頻率范圍，可用于監(jiān)測地震，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)和心臟振動描記法研究心臟力學(xué)。 關(guān)于次聲波的另一個有趣現(xiàn)象是，大象利用次聲波進(jìn)行遠(yuǎn)距離交流，因為在這個頻率范圍內(nèi)，長波長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迅速衰減，因此其傳播范圍有限。不過，超聲波頻率也會從許多表面（包括人體和動物組織）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，因為這些高頻聲波也會從昆蟲的身體結(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)象和人類活動會同時產(chǎn)生次聲波和可聽聲音，這是體驗的重要部分。想想附近發(fā)生雷擊時的雷聲，噴氣式飛機(jī)起飛時在機(jī)艙內(nèi)的感覺，以及地震時的“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，但作為許多娛樂系統(tǒng)整體體驗的一部分，它們常常會被忽視。而在電影院、音樂會以及現(xiàn)代沉浸式虛擬現(xiàn)實 (VR) 和增強(qiáng)現(xiàn)實 (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。但它其實相對來說更簡單，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。大型影院和音樂表演場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)開始在整個聆聽環(huán)境中加入額外的揚(yáng)聲器一樣，每個揚(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。

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，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，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，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

隱形音頻系統(tǒng)很可能是家庭音響/娛樂領(lǐng)域的下一個風(fēng)口，因為人們越來越喜歡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，用戶對座椅和互動系統(tǒng)的需求也將與娛樂同步增長。

作者簡介

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化測試設(shè)計工程師。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)論文并獲得一項美國專利后離開了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)生涯的下一個階段，他看到行業(yè)內(nèi)對有技術(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)。