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本文首发于微信公众号「声学号角」 01 — KEF LS50 Meta音箱 英国音箱品牌KEF最近同时推出两种新的LS50系列的产品。其中包括LS50 Meta，更新了新的Uni-Q同轴扬声器单元。新的扬声器单元后面新增了一个声学超构材料吸收器。新的系列命名也是来源于超构材料的英文名词Metamaterial。 这款新型KEF Uni-Q扬声器应该是目前市面上第一个应用声学超构材料的消费级音箱产品。之前就有关注这个技术，没想到KEF居然真的整合到实际量产产品中了。 之前的文章也有介绍过KEF LS50系列的一些技术。 紧凑型双通道扬声器系统KEF LS50的开发 这个声学超构材料吸收器是与香港的Acoustic Metamaterials Group（AMG）公司合作开发的，利用了这家公司的超材料吸收技术（MAT）。号称这种合成材料具有超强的吸收能力，可以吸收99％的有害声音，在这种情况下，将其应用于全新的声学迷宫中，并进行了调整。可以吸收从后部发出的有害频率，减少不必要的因为谐振而产生的失真。 新型超构材料吸收技术（MAT）迷宫的详细透视图，多个通道是经过精心设计和优化的 动态演示图 应用了MAT吸收器迷宫的新型KEF Uni-Q扬声器的详细视图 02 — 声学超构材料吸收器原理解析 下面两个图是早期在中音/高音背面采用倒锥形号角/管，以最大程度地吸收向后的反射。 采用常规的声超构材料吸声，一般是利用亥姆霍兹谐振或者1/4波长管的谐振，但存在有效频带过窄的问题。 其中一种有效拓宽作用频带的方式是设计多个谐振器，然后让作用的频带相互叠加，这个可以提供一个比较宽的整体吸声。 这种提供宽带的连续吸声超构材料的阻抗为： 其中Zmeta是其声表面阻抗，Z0是特征阻抗，f是频率，fc是低频截止频率 其吸声系数A为： 其吸声特性和无限长号角对比如下图所示，是更优的。而且实际工程应用不可能做到无限长号角。 最初的设计如下图，是一个柱装的超构材料，低频截止频率fc为312Hz。 吸声系数：蓝色-超构材料，橙色-吸音棉，红色-整体综合结果 但在实际Uni-Q同轴扬声器应用时，会限制低音和高音扬声器的磁路设计，而且超构材料的壁面会减小高音背腔的有效容积。所以考虑做成一个扁状的超构材料放在低音磁路后面。位置如下图所示。 两种形态的超构材料3d图 扁状超构材料做了双层，其有效低频截至频率为620Hz 每个通道的声压响应 620Hz的声压分布情况 通道数越多，其吸声的响应会越平滑。但同样总截面积情况下，管道非常多的时候，说明每根管道会非常细，这个时候热粘滞阻尼会变大。 从仿真来看，30根管道是比较折中的方案。 实际的Demo，总厚度11mm 仿真和实测的结果吻合得非常好 倒指数型号角，和锥形导管+扁状超构材料 填充了聚酯纤维的吸声响应对比 对这个声学超构材料吸收器的仿真结果直观展示：

本文首发于微信公众号「声学号角」 01 — 智能音箱的音频框架 智能音箱中的音频框架主要类似下图所示 可点击查看大图 智能音箱中的音频硬件可大致分为几个子系统： 麦克风阵列 扬声器系统 信号处理系统 智能音箱中的音频软件可能包含的算法模块： VAD 语音检测 ANS 降噪算法 AEC 回声消除 BF 波束成形 声源定位 音效处理 扬声器保护 非线性主动控制 等等 智能音箱中的音频信号主要路径包括: 上行。麦克风阵列感应语音信号，再经过数字化处理，上传给IVA（音频识别技术）进行信号处理和命令解释。 下行。服务器将数字音频内容传输给设备，再将数字信号转变为模拟信号，并通过扬声器系统进行播放。 其他通过AUX（音频输入输出接口）/蓝牙/wifi等方式，和常规音箱一致。 02 — 智能音箱的测试 如上述讨论，智能音箱中的音频系统有非常多组件，包括麦克风阵列，A/D和D/A转换器，功放，扬声器，数字信号处理，音频编解码等。另外还有波束成形，回声消除，唤醒词识别等多个系统级功能。 一般需要测试每个部件以及子系统，同时最重要的是测试智能音箱整体的系统端到端的性能。 A/D和D/A转换器一般与音频分析仪的采样率不一致，需要做一定的补偿再分析。 频率响应是衡量音频设备最重要的指标。频率响应是一种传递函数的测量。对于DUT(被测设备)，频率响应代表输出与频率相关的幅值和相位。通常将在特定频率（如1kHz）下的幅值设定为参考值，归一化为0dB。 目前智能音箱还是一个新的产品系列，没有一个测试的行业标准。 智能音箱输入路径测试： 可以在固定长宽（比如1m*1m）的桌面上放置被测智能音箱，在距离桌面一定距离和角度放置仿真嘴（模拟人嘴位置）。由于仿真嘴频响曲线不平坦，所以需要提前测试做一定的校准。或者直接使用监听音箱代替。再读取录音文件。 智能音箱输出路径测试： 将数字音频内容从服务器传输至音箱，再将数字信号转变为模拟信号，并通过扬声器系统进行播放。 需要采集播放出来的声音信号，再与原音频文件进行对比。这个属于开环测试。 整体开环测试框架

本文首发于微信公众号「声学号角」 01 — 压缩高音简介 压缩高音之所以叫压缩高音(或者压缩驱动器)，是因为通过相位塞和号角对扬声器单元驱动的空气进行压缩，提升其输出声功率 下图是简单的原理和结构说明。其压缩比为Sd/St。 02 — 直接辐射扬声器和压缩高音的效率对比 •压缩高音有点类似功放，放大输入信号。 •设计上的问题(声场谐振，振膜分割振动等)或者物料和装配的公差也同样很容易成倍地反应到最终的频响和失真上。 •所以一款好的压缩高音对设计/物料/装配的要求比较高。 03 — 有效工作频段和膜片分割振动 3寸钛膜，激光扫描 04 — 压缩高音结构 目前主要有两种压缩高音结构： •向后辐射球顶振膜压缩高音。 •振膜材料以纯钛膜或钛膜+复合边为主。 •向前辐射环状振膜压缩高音 •振膜材料以PEN，Kapton等材料为主。 05 — 频率响应下限 06 — 频率响应上限 07 — 常规相位塞设计 •振膜和相位塞之间的间隙应尽可能小，在考虑振膜的位移以及部件和装配的公差前提下。 •在号角喉口增加相位塞后，振膜各处到达出口出的声学路径差减小了很多。 •障碍尺寸最好小于最高频率波长的一半，否则声波之间会产生不必要的干涉。声速按340m/s，那么20kHz声波波长为17mm，波长一半为8.5mm。一般尽可能做到10mm以下。 08 — 压缩高音相位塞设计 •为得到良好的频率响应，除了增加膜片强度/密度和阻尼外 •还需要综合考虑相位塞通道数量，通道宽度和通道形状 •一般采用模态抑制法设计+有限元仿真优化 09 — 压缩高音非线性来源 •磁路系统非线性 Ø力系数非线性Bl(x) Ø电感非线性Le(x) •振动系统非线性 Ø劲度系数非线性Kms(x) Ø振膜分割振动 •声场非线性 Ø前腔空气刚度非线性Cmf(x,p) Ø前腔空气粘性损耗非线性Rmf(x,f) Ø前腔声质量非线性Mmf(x,p) Ø号角中声速随高声压变化C(p) 10 — 前腔声场非线性 当振膜运动向相位塞或者声压增加时，压缩腔中的空气变得更"硬"(刚度增加)。 当振膜运动向相位塞或者频率升高时，压缩腔中的空气粘性损耗增加 当振膜运动向相位塞或者声压增加时，压缩腔中的空气等效质量也会随之增加。 11 — 压缩高音仿真 磁力声三场耦合，计算压缩高音在号角或行波管中的频率响应 优化压缩高音磁路/膜片/相位塞设计 12 — 压缩高音演进 ...

本文首发于微信公众号「声学号角」 图书《苦旅寻真——求索中国仿真解困之道》终于正式出版发行。个人已购买，推荐给各位对仿真感兴趣的朋友。 《苦旅寻真》由安世亚太高级副总裁、北京市综合仿真实验室主任田锋编著，我国工业制造领域专家、中国航空工业集团信息技术中心原首席顾问宁振波作序并推荐，是我国工业制造领域一部全面剖析中国仿真过去、现状及未来发展的专业著作。 点击左下角“阅读原文”即可跳转官方的图书内容简介。 下面摘录部分内容 “ 仿真体系成熟度综述 基于对国内外企业的总结分析，我们提出仿真体系的成熟度模型，如图5-1所示。仿真体系的成熟度分为五级，分别是采纳级、重复级、预测级、驱动级和引领级，总结了从开始采纳仿真技术，到构建完整的仿真体系并引领研发创新的全过程中各关键里程碑。成熟度定位和识别的价值在于企业盘点自身的仿真能力及资源，认识现状不足和短板，从而科学确立体系建设目标和路线规划。 第一级，采纳级，典型特征是企业已经意识到仿真的价值，开始采用仿真技术和手段进行一定的产品分析工作，但是基本依赖几个专家维持。 第二级，重复级，典型特征是仿真分析的结果可以重现，说明企业对仿真的原理和方法已经掌握，仿真软件的使用不再是问题。仿真团队开始出现，对规范和标准已经有所认知。 第三级，预测级，典型特征是仿真结果可以预测产品的功能和性能，可替代大部分试验，成为设计依据。此时企业已经建立了仿真规范与标准，并得到较好执行。专职的仿真部门开始出现，部门级仿真平台开始建立。 第四级，驱动级，典型特征是企业已经实现“仿真驱动研发”愿景。仿真组织体系已经完整建立，并且成为研发组织的中坚力量。综合仿真流程成 为研发流程的重要流程，规范和标准已经得到制度化执行。仿真软硬件的规划较为完备，选型也趋于科学。仿真平台已经升级成为企业设计的主要平台。 第五级，引领级，典型特征是仿真体系已经成为研发体系最重要的体系之一，是企业差异化竞争的要点。仿真人才与组织是研发体系的核心，规范与标准的执行已经成为文化。企业的仿真装备已经走向云端。仿真平台已经引入更丰富的元素，升级为企业级研发平台的主体。这一级别是企业研发和仿真战略发展的最高级目标 ” “ 产品设计一般划分为方案论证阶段、概念设计阶段、技术设计阶段、试验验证阶段等。仿真在不同阶段的用途不同，例如： 方案论证阶段——利用仿真进行快速论证。此时我们往往追求仿真的快速，不追求精确。 概念设计阶段——利用仿真进行方案的快速验证。系统仿真和多学科仿真是主要手段。 技术设计阶段——利用仿真完成关键设计参数的优化与确定。此处实物仿真是重点手段。 试验验证阶段——尽管仿真的目的是替代试验，但在实践中必要的试验还需要保留，特别是某些行业规范要求如此。利用仿真可帮助规划试验方案，准确定位测试点，减少试错，精益地获得数据，用较少的次数达到试验目的，提升试验效率。 相同零部件的同类仿真分析在不同设计阶段的分析目的不同，因此，采用的技术、工具、仿真模型、网格的处理方式、结果的处理与评价等也各不相同。 ” 图书《苦旅寻真——求索中国仿真解困之道》的链接如下所示，点击即可跳转。 之前的文章有推荐过一些扬声器设计以及声学理论相关的书籍， 扬声器设计相关书籍 相关图书的链接如下所示，点击即可跳转。

本文首发于微信公众号「声学号角」 KEF LS50是一款非常经典的音箱。叫Hi-Fi音箱也好，监听音箱也好，称谓不那么重要。 其中包含了大量的专利技术，以及仿真的支撑。 是大量工程师研发努力所取得的成果。 音箱的造型综合考虑了ID设计和声学特性优化 扬声器是KEF开发的经典Uni-Q同轴共点单元。 折环特有的形状，铝镁合金音盆的曲线弧度，高音的相位塞等等。 下图是扬声器的部件爆炸图 低音单元的响应可以通过集总参数快速进行计算并优化。 音箱外壳振动的位移和造成的声压仿真 音箱内部的声压分布 初期样品的倒相管近场频响测试结果 箱体内部空气的声模态，或者说驻波 采用声学有限元耦合边界元仿真音箱外壳的衍射效应 仿真对比不同的倒相管造成的湍流。 倒相管的设计是为了和腔体内部空气形成赫姆霍兹共鸣腔，提升低频响应。但倒相管出口位置的湍流会在高声压级下产生噪声。这个问题之前已经反复探讨过了。 扩张的管道，相比于直管，可以减少湍流噪声。通过有限元模拟，可以预测最优的管口尺寸以及扩张率，以降低噪声和大输出下的功率压缩。 整个音箱的内部外部构造 音箱系统的频响曲线 KEF用了类似同轴技术的音箱产品，如下面链接所示

本文首发于微信公众号「声学号角」 01 — 磁路非线性 磁路非线性可以分为两种类型 静态非线性 和音圈激励的电流以及频率无关 磁通密度分布非线性B(x) 力电转换系数非线性BL(x) 动态非线性 和音圈的电流，位置，以及频率有关 音圈电感是其位置，电流和频率的函数Lvc(x, i, f) 磁路导电部件中的涡流，导致电感减小L(x, i) ，电阻损耗增加R(x, i) 磁通变化ΔΦ(x, i) ，以及磁阻力Frel 磁滞Φ= F(i,t) 02 — 微分方程组 描述动圈式扬声器非线性特性的等效电路图，以及微分方程组 上述的含义已经在不同的场合多次阐述过了，不理解的朋友可以多查阅资料多思考。 03 — 涡流 磁路导电部件中的产生的涡流，会导致电感减小，但同时电阻损耗增加 04 — 音圈阻抗 仅考虑磁路组件的音圈阻抗通用表达式 有不同的模型来阐述Reff(f) 和 Leff(f)，最常用的有以下几种 Leach模型 Wright模型 Thorborg模型（半电感模型） LR-2模型 目前最通用的LR-2模型，和大部分产品的吻合得不错，且具有时域表达方式，容易实现非线性系统的描述。 当然也有学者提出了更精细的模型，感兴趣的可以自行搜索相关资料。 05 — 稳态BL(x)仿真 以Femm为例说明稳态BL(x)仿真的方法 简单方法 仿真模型不放实际音圈 直接根据磁通密度分布B(x)和音圈线长L计算得到BL(x) 详细方法 将通电流i的音圈添加到仿真模型中 通过仿真计算获得洛伦兹力F 对音圈在不同位置重复仿真 06 — 频域计算L(x) 在音圈中通入固定频率的电流i = I sin（ωt） 可以通过仿真获得通过音圈的磁链Φ来计算L 针对不同频率和位置重复仿真 在每一个位置，可以将结果转换为LR-2模型，一般采用多项式拟合

本文首发于微信公众号「声学号角」 01 — TWS耳机 TWS 是指True Wireless Stereo，即所谓的真无线立体声耳机。最近几年，在苹果Airpods系列的牵引下，TWS耳机市场爆炸式发展。 主要采用蓝牙进行音频传输，耳机左右声道之间互相独立且一般无物理连接，构成立体声道。TWS 耳机设计精简，佩戴舒适性高，配备充电盒，具有取出充电盒后快速配对和增强耳机续航的功能。 各大消费电子巨头，手机厂商，传统声学音频企业，以及互联网公司都陆续推出了相关的产品。 用户接受度，普及率越来越高。供应链也在混战中，比如立讯精密从歌尔手中虎口夺食，抢到了Airpods Pro的订单，股票也因此翻了几番。 以下，按个人认为的TWS耳机功能的重要程度排序，谈谈大致的趋势 02 — 高清音质 TWS的高清音质主要分音频编解码，和耳机的声学设计。 目前高清音频编解码技术，主要以索尼LDAC，高通aptX HD，以及华为HWA为代表。 另外，在CES2020上，蓝牙技术联盟发布了新一代蓝牙音频技术标准——LE Audio。LE Audio标准的主要特点是低功耗、高性能，并特别针对近年爆火的真无线TWS（True Wireless Stereo）耳机进行了优化。LE Audio使用了一种新的编解码器，即低复杂度通信编解码器(LC3)，相较于原本的的SBC编解码器，LC3将能够提供更高的音质，甚至在比特率降低50%的情况下仍能正常传输，从而实现在低码率传输条件下，提供更高质量的音频，降低了TWS耳机的传输功耗。并且发射端可直接同时连接TWS左右单元，大大降低了延迟、提升稳定性。 喇叭单体层面，厂商有在尝试采用新的振膜材料，比如一些PET复合金属等。另外，也在尝试使用多单元设计，以拓展频宽，如多动圈，多动铁，以及圈铁等方式。三星Galaxy Buds+ 采用了全新的双动圈扬声器系统。亚马逊Echo Buds 采用楼氏双动铁单元。Anker 的Soundcore Liberty 2 Pro 采用了同轴圈铁单元。 合适的目标频响曲线，除了哈曼曲线外，各大厂家也会根据自己的目标用户人群做调研，确定对应产品的调音频响曲线。行业通用的声学测试系统Soundcheck已经把哈曼目标曲线以及打分内置在系统中。 03 — 通话降噪 通话降噪目前主要通过多麦克风阵列+降噪算法实现。另外骨传导拾音技术也应用越来越广泛，Airpods和华为Freebuds3都采用了。 另外一种方案为AI通话降噪，通过场景分析与深度学习结构，实时分离人声和背景噪音，从而从环境噪声中提取清晰的人声。当然受限于耳机芯片的计算能力，功耗限制，延时要求等，必须要做适当的简化处理。 如声加科技的SVE(Soundplus Voice Enhancement) AI降噪技术方案。 04 — 低功耗 TWS耳机由于是无线和移动状态，需要靠内置电池供电。所以和手机一样，需要长续航时间，这样用户体验才好。 三星Galaxy Buds+的续航从Galaxy Buds的13小时，升级到22小时。使用体验明显升级，虽然一个喇叭变到两个喇叭后音质基本没变。 05 — 低延时 TWS耳机的延时正常使用都是比较高的，比如>150ms。听音乐打电话一般不影响。 看视频时会有一定影响，音画不同步。现在主流视频软件检测到用户在使用包含TWS耳机在内的无线耳机时，都对画面进行了一定的延时处理，所以目前也不会有明显感知问题。 但游戏/VR等低延时场景，无线耳机的延时会影响体验，所以需要针对这些场景做一定的优化。高通已推出针对游戏场景的aptX Adaptive 音频编码器技术，号称可将声音延迟控制在50- 80ms。 06 — 主动降噪 主动降噪主要分为前馈式和复合式（前馈+反馈）。目前主流TWS耳机芯片厂家，比如苹果，络达，恒玄，高通，瑞昱等最新的产品都已经支持主动降噪。 各家都在降噪深度，频宽，舒适性，场景自适应等方向不断优化，提升用户体验。 07 — 智能语音 TWS耳机普及，为智能语音助手提供了一个新的载体和入口。耳机的麦克风相对离人嘴距离很近，再加上骨传导拾音传感器，语音唤醒和语音识别准确率较高。 但对芯片要求也更高，需要在低功耗下兼顾算力。 08 — 透传助听 透传和助听是指戴上耳机后，也可以将环境声音传入耳内。这样在听音乐时更安全，且不会错过一些重要信息，比如广播/鸣笛/警报等。 一种方式是通过算法，将外侧麦克风拾取到的信号叠加到扬声器中。一种方式是通过电动阀门打开一个小缺口，让声音传入。 ...

本文首发于微信公众号「声学号角」 01 — 人听觉系统的单声源定位 人对声源的定位包括方向定位和距离定位两方面。 方向定位主要来自： 双耳时间差 双耳声级差 头部转动 频谱因素 等 距离定位也是多个原因共同作用。 02 — 双耳时间差 声波从声源传递到双耳的时间差，是声源方向定位的重要原因。 当声源位于中心垂直面时，双耳时间差为0。当声源偏离中心垂直面时，声源到左右耳距离不同，所以存在时间差。 假设忽略人头形状，双耳间距2a，入射平面声波（假设声源距离人耳非常远）角度θs。声速c。 通过下图简单的几何计算，容易得到双耳时间差为 假设人头近似为半径a的球，则双耳时间差为 头部尺寸a和双耳时间差相关，所以这是个性化的定位原因。 取头部半径9cm，90°时双耳时间差约为670us，即0.67ms。虽然这个延时时间非常短，但却能很好地确定低频声波的方向。 双耳时间差*2*pi*频率即为双耳相位差。 在低频的时候，双耳时间差只与角度相关，与频率无关。 当头部尺寸（双耳间距）等于声波半波长时，大概对应700Hz左右的频率，从90°侧向入射的声源会使得双耳声压刚好反相（相位差180°）。此时，双耳相位差开始出现不确定因素。头部或者声源运动可以消除这种不确定性。 而当频率大于1.5kHz时，头部尺寸（双耳间距）大于声波波长，双耳相位差可能大于2*pi(360°)，导致定位混乱。 所以双耳时间差主要对低频段的方向定位产生影响。当然，声源入射角度减小时，频率上限会提高。 03 — 双耳声级差 双耳声级差是声源方向定位的另一个重要原因。当声源偏离中垂面时，由于头部遮蔽效应，即头部对声波的阴影和散射作用。 尤其是在高频，与声源同侧声压提升，反侧声压衰减。 双耳声级差可以通过HRTF计算或仿真得到。 双耳声级差主要对中高频段的方向定位产生影响，可大致认为从700Hz以上开始起作用。 04 — 头部转动 上面讨论的低频双耳时间差，以及中高频双耳声级差是判断声源方向的两个重要原因。 但仅仅基于上述两种原因，无法解释人的听觉系统如何判断声源来自前方还是后方，以及如何判断声源高度的问题。这就需要引入一个“混乱锥”的概念。 恒定双耳时间差的点集组成一个空间的锥形表面，被称为“混乱锥”。相应的，恒定双耳声级差的点也会存在一个集合。 尤其是中垂面上下角度变化，所产生的双耳时间差和双耳声级差都为0，所以不能解释中垂面上下前后定位的问题。 所以这个时候，需要考虑头部转动的影响，即动态因素。人会动态旋转头部来动态识别声源方位，使得声源偏离中垂面或者混乱锥。这个已经被实验所证实。 05 — 频谱因素 前面讨论的都是双耳的定位原因。研究表面，耳廓，包括头和躯干对声波的反射和散射引起的声压频谱特征也是声源方向定位的原因，尤其是对垂直方向和水平方向的前后镜像位置。 一个不同声源方向入射的简化示意图 其频谱的差异 当然实际情况会更复杂。 不同类型的人耳朵差异很大，就算是一个人的左右耳也会有生理性的差异，所以这也是个个性化的指标。

本文首发于微信公众号「声学号角」 日常生活中，很多人吹嘘对音箱系统的相位非常敏感，即便是高频信号。 但大部分人类归根到底还是肉身，会受到各种客观物理规律限制。当然多个音箱的相位不一致导致的客观干涉不在本文讨论之列。 下面我们先看看凡人的听觉系统。 人耳的结构 外耳：共振腔 中耳：放大作用和强声保护作用 内耳：频谱分析作用 下面的人耳听觉系统的3d图片是我从一款解剖软件中截取出来的 内耳结构图 基底膜(basilar membrane)分析声音示意图（位置理论） 匈牙利-美国物理学家贝克西（Békésy,Georgvon）用实验验证了这个理论，写了“听觉原理”巨著，获得了1961年诺贝尔医学及生理学奖。 各种频率在基底膜上的振动模式 听神经主要由神经纤维组成，这些神经纤维支配着耳蜗内的毛细胞。它的响应是相对均匀的。每条神经纤维的频率都经过了严格的调整（与基底膜的振动模式相匹配）。 基底膜内膜有3500根神经纤维，外膜有3排神经纤维共20000根，俗称毛细胞。当声波在基底膜上振幅超过一定阈值时，产生电脉冲，经毛细胞传入大脑，感知语音。 毛细胞的立体纤毛束 有点类似于生理性质的傅里叶变换，见下图展开的动作电位，以及听神经纤维的动作。 每条听觉神经纤维仅对狭窄的频率范围做出响应 耳蜗神经纤维向低频声音的放电不是随机的；它们发生在特定时间（相锁）。即对低频信号，人耳对相位是比较敏感的。 从上图来看，以客观的听神经来说，对于单一频率的正弦波，频率在2kHz以上的，基本没有细胞电位和音频之间的相锁（phase lock）。也就是毛细胞不再根据正弦波的不同相位改变自身的电位，此时听觉系统不再编码声音的相位，而只编码幅值。 所以2kHz以上的正弦波的相位对人耳而言，基本是没有意义的。包括双耳听觉的相位在高频也是没有意义的。这就是为什么经常使用双耳时间差，而不是双耳相位差的原因之一。

本文首发于微信公众号「声学号角」 文章大部分摘录自刘红星等人发表的论文《声学超材料研究进展》，点击左下角“阅读原文”即可跳转到百度学术对应链接。主要作为个人学习和知识推广。 01 — 声学超材料 声学超材料是人工制造的一种复合结构。由于它结构尺寸单元远小于声波波长，具有很多自然材料所不具备的特殊性质，极大地扩展了声学材料的内涵及其应用领域。 各个领域的超材料这些年都是发论文的好方向(●’◡’●)。目前，声学超材料也慢慢从实验室走向实际的工程应用。 声学超材料和电磁（包括光）超材料类似，是指具有负等效质量密度和负等效模量的人工亚波长结构。它能够实现声波的负折射，声聚焦，超透镜，隐身等许多新奇特性。 02 — 负等效质量密度超材料 为了分析等效负质量密度的产生，从一维二组元结构进行讨论，如下图所示。其中组元1为质量为m的质量块，组元2为质量为M的基体，组元1和2靠弹簧连接。 当该系统处于静态时，该结构的等效质量密度 其中，分别D1和D2代表组元1和组元2的静态质量密度，f为组元1占整体的比例。 当该系统在外部激励的作用下，若组元1和2仍然能够保持一致运动，那么它的等效质量密度等于静态质量密度。然而，当组元1和2运动步调不能保持一致，甚至相反是，它的等效质量密度将发生变化，可能出现负值。 在频率为ω外力F的作用下，组元1的位移为u，组元的运动位移为U。 通过计算可以得到其等效质量密度为： 其中V为单元总体积 也可以通过引入局部共振单元，在低频处实现等效负质量密度。 将用硅橡胶包裹的铅块，按立方晶格结构嵌入到环氧树脂的基体中，此时铅块充当质量块，硅橡胶起到弹簧的作用，环氧树脂作为基体。在低频处，就会出现铅块和基体运动失谐的情况，产生了负等效质量密度，同时由于铅块运动能吸收声波所传递的能量而在低频处产生禁带。 另外也有学者实现了薄膜型等效负质量密度超材料。 当声波垂直于薄膜平面入射时，只要入射频率和质量块在薄膜上的共振频率相匹配，就能够使得声波被完全反射，而不能透过。因此可以通过调整质量块和薄膜的弹性模量，就可以调整等效负质量密度出现的频率，实现对某个较窄频段声波的衰减。 03 — 负等效模量超材料 材料的弹性模量和质量密度一样对声波的传播有着决定性作用。 其等效弹性模量为： 具有局部单级共振单元才能实现负等效模量。目前采用周期排列亥姆赫兹共鸣器作为支路来实现负等效模量比较多。这种结构对材料本身的要求较小，而对几何尺寸有了比较严格的要求。 负等效模量的产生实际上是由于亥姆赫兹共鸣器短管处的声波运动与外界提供的声波的声压场反相所导致的。 材料的负等效模量类似于负等效质量密度，它们都是材料的动态特性，在静态情况下不能为负。同时，负等效模量也能有效地对声波进行衰减。 04 — “双负”超材料 偶极共振能够形成负等效质量密度，单级共振可形成负等效模量，如果能够在一种结构中同时实现偶极和单极共振，那就能出现一种“双负”材料。要实现这种结构，则负等效质量密度形成频率和负等效模量形成频率需吻合。 下图是可行的一种方案 采用周期排列亥姆赫兹共鸣器作为支路，利用单极共振来实现负等效模量，同时在通道中加入薄膜型超材料通过偶极共振来实现负等效质量密度。 “双负”声学超材料具有普通材料所不具备的特性，能够实现亚波长聚焦，超成像效应，声隐身等特性。 05 — 声隐身超材料 随着声学超材料的发展，声隐身超材料得到越来越多的关注。它的设计理论是基于变换光学而发展起来的变换声学，由于声波方程和麦克斯韦方程都满足坐标变化不变性，因此变换光学理论可应用到变换声学领域，其核心是建立起坐标变换和材料参数分布之间的关系。 坐标变换是人眼能看到的虚空间和实际客观存在的物理空间之间的映射关系，通过坐标变换，可以得到虚空间和实空间材料参数分布的关系。这种关系能够帮助人们获得一些新型的声学器件来控制声波的传输。 由于变换声学所要求的材料模量渐变，密度各向异性且渐变等，这些参数非常苛刻，所以在声隐身方面实验进展比较缓慢。 目前，声隐身材料主要通过两种方法来获得。一种是利用声学电路网络结构，类比电路方程进行设计，通过改变亥姆赫兹共振器的尺寸来使等效密度和等效弹性模量与理论计算相一致。 另一种是结合变换声学和坐标变换设计出各向异性的材料参数，并通过在长波近似下调制材料的尺寸来实现所需的参数。 06 — 主动式声学超材料 前面所提到的声学超材料都属于被动式的，即当超材料的结构固定后，在一定频率下的等效参数也是固定的，这就限制了已经制成的超材料的应用范围。 现在也有研究将压电材料/扬声器等引入到结构中，从而可以主动地控制有效参数，如在管子内引入压电膜来控制等效质量密度。这种主动式的声学超材料的发展将对声波控制有着重要的意义，也将是声学超材料的一种发展趋势。