音乐爱好者未来或许可以在不戴耳机的情况下大声播放自己喜欢的音乐，而又不打扰周围的人。这一设想正在被宾夕法尼亚州立大学的研究人员变为现实。他们设计出一套能够精确操控声波的系统，使声音只在一个略宽于一英寸的小区域内可被清晰听见。尽管焦点极小，该系统仍能输出高质量音频，为用户提供清晰且私密的聆听体验。相关成果已发表在《IEEE超声学汇刊》上。

传统聚焦声音技术的局限

声学博士生、论文第一作者 Jee Woo Kevin Kim 介绍，声波通常会从声源向四周扩散。参数阵列扬声器（PAL）则通过高强度超声波，将可听声压缩成类似激光的窄声束。这类设备已在博物馆、广播室等场景中用于定向播放音频。

不过，Kim 指出，这些阵列在更广泛应用中存在明显问题：

• 指向性过强，一旦声束打到墙面或其他物体上，声音会在室内多次反射，容易泄露内容，影响隐私；
• 难以有效产生低频声音，导致重低音音乐的听感大打折扣。

这些缺陷限制了参数阵列扬声器在日常环境中的推广。

声学超表面的引入

论文通讯作者、声学教授 Yun Jing 表示，声学超表面为解决上述问题提供了关键思路。超表面是一类通过极薄结构来操控波（包括光、声、热等）的材料。用于声学的超表面可以通过3D打印轻松制备，已被用于控制声音传播方向，例如在扬声器中实现定向发声。

Jing 解释说，在开发声学超表面时，可以把它类比为一块“声学透镜”：

• 使用一个较大的平面结构；
• 通过精细设计其内部结构来调制声波；
• 让声波在离开扬声器后汇聚到空间中的某个中心点，从而将音频集中在一个精确区域内。

此前，Jing 团队曾利用两个扬声器弯折超声波，构建出约60分贝（接近日常对话音量）的私密“可听飞地”。但这种方案需要多个PAL阵列，而且从超声波转换为可听声音的效率并不高。

新的无源超表面罩设计

这一次，团队提出了一种全新的无源声学超表面方案。该超表面不需要额外供电，也无需复杂的信号处理，就能实现声波聚焦。

研究人员通过3D打印制作了一个安装在扬声器上的超表面罩，将扬声器发出的声音导向一个紧凑的“声泡”：

• 该区域的直径仅略大于一英寸；
• 高度不到四分之一英寸，整体大小接近一块口香糖。

Jing 表示，这种设计的焦点位置在空间中是固定的，但由于组件本身是无源结构，制造和部署成本大幅降低，有利于声学超表面的实际应用。

在实验中，团队首先通过数值模拟验证了超表面透镜的性能，然后将圆形超表面安装到组装好的PAL阵列上，使其在距离扬声器约四英寸处形成焦点。随后，他们播放重低音电子音乐，并缓慢移动麦克风进出焦点区域，以评估音质和声音限制效果。

实验结果：声场边界极为清晰

当麦克风位于焦点内时，记录到的音频清晰且音质良好。而当麦克风从焦点位置移出约两英寸（小于一张信用卡的宽度）时，测得音量可骤降多达50分贝。

更重要的是，团队发现，配合声学超表面的PAL在高频和低频段都能保持出色表现，这正是传统聚焦声音技术的难点之一。测试显示，该系统可以有效投射低至38赫兹的频率，接近人耳可听范围的下限。以往要实现这种低频效果通常需要体积庞大的低音炮。

Kim 指出，这一结果意味着，有望在保持音质的前提下，显著缩小扬声器系统的体积，为小型化高保真音响设备铺平道路。

超越私密音乐的多场景应用

“我们设计的声学超表面直径约为六英寸，大致相当于一个小盘子，可以直接安装在任何PAL表面上。”Kim 介绍说。“从制造角度看，只要有3D打印机或塑料模具，就可以批量生产这些组件，我们认为其商业潜力非常可观。”

研究团队认为，这项技术不仅适用于个人私密听歌，还可扩展到多种需要定向、私密音频的场景，例如：

• 自动取款机和自助售票终端，保护用户输入信息和语音提示的隐私；
• 零售展示设备，为不同顾客提供各自独立的音频介绍；
• 车内娱乐系统，让不同乘客在同一车厢中收听不同的音频内容而互不干扰。

通过在这些场景中部署声学超表面，多个用户可以在同一空间内同时收听不同的私密音频流，而不会产生明显串音。

参与本项研究的还包括宾夕法尼亚州立大学声学博士后研究员 Jia-Xin Zhong。