“隐形”声音体验 触觉传感器为家庭音响带来令人陶醉的沉浸式“隐形”声音体验

引言

虽然“隐形的声音”听起来有点荒谬，但它却是描述身临其境的声音或你在媒体娱乐中可以实际感受到的声音的一种常见方式。想象一下《侏罗纪公园》中霸王龙出现时的情景，几场小型地震引起了标志性的水杯震动，预示着霸王龙的出现。大型影院使用大功率低音炮（超低音扬声器）营造出这种震撼效果，通过压力波使整个房间摇晃、嘎嘎作响。但这种解决方案不一定适合家庭影院或音响系统，还有一些方法可以达到这种效果，而不需要比较影响邻居的低音炮。这种解决方案被称为触觉传感器或“隐形”声音传感器。这些传感器附着在通常与观众接触的物体上，并根据音频设备发出的低频声音信号使物体发生振动。

随着越来越多的消费者希望增强自己的家庭影院/音响系统，而不是去当地电影院寻求刺激，家庭音响市场正在迅速扩大。本文将向读者介绍有关声音传感器（特别是触觉传感器）的基本知识，以及它们在家庭音响发展中所起的作用。

图源：New Africa/stock.adobe.com

作者：Jean-Jacques DeLisle，贸泽电子专稿

发布日期：2023年1月13日

声音传感器简介

声音传感器是用户感知或产生的声波与提供现代音频体验的电子设备之间的桥梁。从本质上来说，声音传感器是一种将~20Hz至~20kHz频率范围内的声波转换为电信号（或将电信号转换为声波）的设备。

作为一种发声器，声音传感器利用电能产生机械振动，刺激传感器表面的空气，从而产生声波。使用电能并将声音频率范围内的电信号转换为声波输出的设备通常称为“扬声器”。一般来说，原始音频信号的功率相对较低，必须先馈送到音频前置放大器，然后再馈送到音频放大器，才能达到驱动扬声器系统所需的功率水平。

扬声器的样式和技术丰富多样，一般按其用途和所覆盖的可听频率范围进行分类。贝斯音箱，也称为低音扬声器（图1）, 通常覆盖40Hz至1kHz的频率。

图1：贝斯音箱，也称为低音扬声器。（图源：surasak/stock.adobe.com）

当然，低音炮覆盖的频率范围低于低音扬声器，一般从20Hz到200Hz。中音扬声器覆盖的频率范围超过低音扬声器，在200Hz到5kHz之间。高音扬声器则覆盖更高的可听频率范围，其发射频率约为2kHz至20kHz。其他扬声器，如大音量扬声器和全频扬声器，覆盖的频率范围更广。不过，由于它们对较低和较高频率范围的再现能力有限，或在保真度方面有潜在问题，因此往往无法产生具有冲击力的音频。

但扬声器并不是唯一的声音传感器类型。麦克风的功能与扬声器正好相反。麦克风（或者更通俗地说，声音探测器）会对传感器表面的机械振动刺激做出反应，并产生相应的电信号。由于这些信号通常功率很低，因此经常使用音频放大器来提高麦克风信号的增益，以实现更好的重现或转换。

什么是隐形音频系统

在可听频率范围之外，还有低于可听范围的声音（称为次声波），以及高于可听范围的声音（称为超声波）。次声波一般指0.1Hz到20Hz之间的声音，大多数人听不到，但如果声音足够强，就能感觉到。次声波也是一个很有用的频率范围，可用于监测地震，通过大量的土壤进行地质研究，以及通过心冲击描记术和心脏振动描记法研究心脏力学。 关于次声波的另一个有趣现象是，大象利用次声波进行远距离交流，因为在这个频率范围内，长波长的声音比高频率的声音更能高效地穿过稠密的大气层。需要注意的是，天然和人造系统通常需要相当大的体积才能产生如此低的声音频率。

与次声波相反，超声波的频率范围超过20kHz，波长比大多数人能听到的频率更短。这些极短的声音频率在大气中会迅速衰减，因此其传播范围有限。不过，超声波频率也会从许多表面（包括人体和动物组织）反射出来。因此，超声波传感器和传感系统被用于医疗超声机器，对人体内部结构进行非侵入式观察。出于同样的原因，蝙蝠使用超声波进行回声定位，因为这些高频声波也会从昆虫的身体结构和大多数固体物体上反射出来。

大多数人都听不到次声波和超声波频率（图2）。不过，次声波如果足够强，就能够感觉到。许多自然现象和人类活动会同时产生次声波和可听声音，这是体验的重要部分。想想附近发生雷击时的雷声，喷气式飞机起飞时在机舱内的感觉，以及地震时的“轰鸣声”。

图2：声波图。（图源：designua/stock.adobe.com）

这些看不见的声音是一种内在的直观体验，但作为许多娱乐系统整体体验的一部分，它们常常会被忽视。而在电影院、音乐会以及现代沉浸式虚拟现实 (VR) 和增强现实 (AR) 娱乐系统中却相反，这些系统专门配备了次声波传感器或大功率低音炮，让用户不仅能听到声音，还能感受到声音。

家庭音响/娱乐系统中的触觉传感器

对有些人来说，这可能听起来像是很奇特的音响系统设置。但它其实相对来说更简单，有很多方法可以将这些隐形音频系统集成到家庭音响/娱乐设备中。从本质上讲，隐形声音传感器只是娱乐设备中安装的次声波或可听声音传感器，能让用户感受到来自传感器的振动。大型影院和音乐表演场所使用巨大的低音炮来达到这种效果，而游戏控制器配备振动功能也已有几十年的历史。只需将传感器安装到用户座椅的结构或支撑部件上，就可以将触觉传感器集成到家庭音响/娱乐设备中。 使用一套触觉和声音传感器甚至可以产生更丰富的物理刺激感，超越单纯的 "低音震撼 "音响系统。

家庭娱乐的这种演变就像过去许多家庭音响系统开始在整个聆听环境中加入额外的扬声器一样，每个扬声器都由更多的内部扬声器元件组成。这些扬声器元件设计用于在特定频率范围内更准确、更悦耳地产生更高保真的声音，它们被布置在周围环境中，以确保更强的沉浸感和更完美的听觉体验。

将次声波传感器和触觉传感器纳入这种家庭音响/娱乐装备，可带来更豪华的体验，并能提供更深的沉浸感。随着游戏室和家庭影院中VR/AR装备的出现和日益普及，越来越多的用户正在寻找各种方法来增强他们的游戏、观赏或聆听体验，使其更加逼真或至少更加令人兴奋。甚至有专为VR/AR装备设计的座椅系统，集成了大量电子元件，让用户能够更加轻松地进入广阔的VR/AR体验空间。

要用隐形声音增强家庭音响/娱乐系统，用户可以用电子元件升级他们的座椅、娱乐装置或佩戴的设备，这些电子元件由娱乐系统的低频范围音频输出提供信号，例如杜比系统中的低频音效 (LFE) 声道。这些系统的工作方式与低音炮大致相同，但在某些情况下，其频率甚至比低音炮还低，从而增强了用户所能感受到的隐形音频频谱。

结语

隐形音频系统很可能是家庭音响/娱乐领域的下一个风口，因为人们越来越喜欢在家里而不是影院看电影，而且VR/AR系统的应用也在不断增加。隐形音频技术已经存在了几十年，但在家庭音响/娱乐系统中仍较为罕见。随着家庭游戏和娱乐的不断发展，用户对座椅和互动系统的需求也将与娱乐同步增长。

作者简介

Jean-Jacques (JJ) DeLisle曾就读于罗切斯特理工学院 (RIT)，并获得了电气工程学士学位和硕士学位。在学习期间，JJ从事射频/微波研究，为大学杂志撰稿，并且是RIT第一个即兴喜剧团的成员。在拿到学位之前，JJ就担任了Synaptics公司的集成电路布局和自动化测试设计工程师。经过6年开发和鉴定内置同轴天线和无线传感器技术的原创性研究，JJ在提交了多篇技术论文并获得一项美国专利后离开了RIT。

为了进一步发展他的事业，JJ和妻子Aalyia搬到了纽约市。在这里，他担任了《Microwaves & RF》（微波与射频）杂志的技术工程编辑。在此期间，JJ学会了如何将他的射频工程技能以及技术写作热情结合起来。

在JJ职业生涯的下一个阶段，他看到行业内对有技术能力的作者和客观的行业专家有很大的需求，于是转而创办了自己的公司RFEMX。朝着这个目标前进，JJ扩大了自己公司的业务范围和愿景，开始从事信息交换服务 (IXS) 业务。