基于超构材料和超声换能器的扬声器，实现高指向性音频生成
2026-10-30 21:52:25 来源：麦姆斯咨询评论：0 点击：

科研人员将两种超构材料集成在同一个超声换能器中：器件前端搭载声学超构表面，相当于声学透镜作用，把振膜辐射出的不规则超声波波前重塑为类似激光的笔直窄波束；后端布置弹性超构单元，起到声学屏障的作用，抑制特定频率下的杂散振动，阻止声波侧向外泄。

能够将声音定向传播给单一收听者的技术——宛如间谍影片里的场景，或将很快变成现实。据麦姆斯咨询报道，近期，韩国浦项科技大学（POSTECH）的科研团队研发出了一种基于超构材料和超声换能器的紧凑型扬声器，可将音频信息定向发给目标对象。相关成果以“Dual-domain metamaterials co-integrated with a compact ultrasonic transducer for highly directional audio generation”为题，发表于Nature Communications期刊上。

基于超构材料和超声换能器的扬声器，实现高指向性音频生成

光与声波的传播特性截然不同：手电筒、激光发出的光线沿直线传播，而声波容易向四周发散，这也是隔墙也能听见人声的原因。“能否让声音像光一样，只送到我们想要它到达的地方？”这一问题促成了浦项科技大学团队研发出一种基于超构材料和超声换能器的指向扬声器：MiPAL。通过利用可听声音内容对超声波进行调制，该扬声器能够将声音仅传送到特定的目标区域内。其中一项代表性技术是“参量阵列扬声器”（Parametric Array Loudspeaker，简称PAL），其利用两个超声波在空气中的非线性相互作用，产生人类可听的声音，并将其汇聚在特定的方向上。

两种超构材料，各司其职

为了设计新型扬声器MiPAL，科研人员将两种超构材料集成在同一个超声换能器中，以此解决上述指向性问题：器件前端搭载声学超构表面，相当于声学透镜作用，把振膜辐射出的不规则超声波波前重塑为类似激光的笔直窄波束；后端布置弹性超构单元，起到声学屏障的作用，抑制特定频率下的杂散振动，阻止声波侧向外泄。这套设计形成双重保障机制：前端实现声场聚焦，后端抑制寄生噪声。

新型扬声器MiPAL整体示意图

新型扬声器MiPAL结构设计与性能表征

最终，这种新型扬声器MiPAL的定向发声频段覆盖500Hz~10kHz，跨度超过4个倍频程，覆盖大部分人耳可听声频谱。研究人员还搭建了飞机座舱座位仿真场景开展实验：在该场景下，不同播报音频或音乐需要定向送达单独乘客，并且不能干扰邻座。实验播放真实广播与音乐信号，在多个角度测量声强，结果证实增设弹性超构单元之后，定向性能提升显著。

面向实用场景开发

新型扬声器MiPAL另一项核心优势在于易于制造和调整：超构材料结构采用模块化设计，可通过3D打印加工，能够针对不同座位间距、安装角度以及其他工况，便捷地进行重新设计。

新型扬声器MiPAL潜在应用场景