从一片压电陶瓷到一束定向声音，汉得利控股波速解读超声波换能器背后的材料技术

在商场里，一台普通音箱播放广告，附近几家店铺都可能听得清清楚楚；但如果站在指定位置才能清晰听到讲解，走出几步声音便明显减弱，会是一种怎样的体验？在展馆导览、商业显示屏、智能座舱和个人办公空间中，工程师正在尝试让声音不再向四周大范围扩散，而是更加集中地传递到需要它的区域。

这种技术被称为定向发声。与传统扬声器主要依靠可听频段的振膜振动不同，一类具有代表性的定向音箱采用超声波参量阵列技术，先利用超声波换能器发出经过调制的高频声波，再借助空气传播过程中的非线性效应，在特定传播方向上产生人耳能够听见的声音。

这项技术听起来复杂，但如果顺着产业链向上追溯，就会发现一个值得关注的事实：定向音箱的核心声学能力，往往始于一组超声波换能器，而换能器内部承担机电转换任务的重要元件，则可能只是一片经过精确设计和制造的压电陶瓷。

对于汉得利控股的江苏波速传感器有限公司来说，这条技术链具有特殊意义。波速长期围绕压电陶瓷材料开展研发与制造，所积累的材料配方、成型、烧结、极化和性能控制能力，正是下游企业开发超声波换能器的重要基础。

从压电陶瓷，到超声波换能器，再到定向音箱，真正值得理解的不只是声音如何传播，更是一片功能材料怎样逐步成为完整声学系统的核心。

为什么超声波能够让声音传播得更集中？

要理解定向音箱，首先需要弄清楚一个基本的声学问题：为什么普通音箱发出的声音容易扩散，而超声波却相对容易形成较窄的声束？

其中一个重要原因，就是声波的波长。在约20℃的空气中，声音传播速度约为343 m/s。对于1 kHz的普通可听声音，其波长约为34.3厘米；但如果频率提高到40 kHz，波长便缩短到约8.6毫米。两者相比，波长相差约40倍。

波长越短，在发声孔径一定的情况下，声波就越有条件形成较强的方向性。因此，相较于普通可听频率，超声波更适合利用有限尺寸的发射结构形成集中的声束。这也是定向声学技术能够进入紧凑型设备的重要物理基础。

但人耳通常无法直接听见40 kHz的超声波，定向音箱又怎样播放音乐和语音？关键在于超声波参量阵列的非线性声学原理。

系统首先将普通音频信号调制到高频超声波载波上，再由超声波换能器或者换能器阵列向空气中发射。当具有足够声压的超声波在空气中传播时，空气的非线性响应能够产生包含原始音频信息的差频声波，从而让听众听到声音。

可以用一个简单例子理解：如果两种超声波频率分别为40 kHz和41 kHz，它们之间相差1 kHz，在合适的非线性传播条件下，就可能产生1 kHz的可听差频成分。实际定向音箱播放复杂音频时，还需要更加完整的调制、预处理、放大和驱动系统，并非简单发射两个频率就能还原高品质音乐。

这种方式*有意思的地方在于，可听声音不完全依赖传统扬声器振膜直接辐射，而是利用具有较强方向性的超声波，在传播过程中形成定向的可听声场。

当然，定向发声并不意味着声波只存在于一条*笔直的线上，也不代表目标区域之外完全听不到声音。声束宽度、旁瓣、传播距离以及墙面反射，都会影响*终听音效果。真正优秀的定向音箱，还需要解决声音清晰度、失真、功耗和空间控制之间的平衡问题。而这些问题向上追溯，又会重新回到超声波换能器的性能上。

一片压电陶瓷，怎样成为超声波换能器？

超声波换能器的基本作用，是实现电能与机械能之间的转换。在采用压电陶瓷驱动的结构中，当交变电压施加到经过极化的陶瓷上时，材料会随电场产生微小形变，这就是逆压电效应。

对于40 kHz的驱动信号而言，压电换能结构每秒需要完成约4万次周期性振动，单个振动周期仅为25微秒。压电陶瓷可以直接利用电场产生机械应变，而不必依靠传统电机、转轴和齿轮完成动力传递。

但从材料制造走向超声波换能器，并不是简单地给陶瓷焊接两根导线。一片压电陶瓷通常还需要根据目标工作频率，与电极、振动结构、支撑部件、封装外壳及声学匹配结构共同设计。陶瓷产生机械应变，振动结构将这种应变转化为有效的振动位移，*终通过声辐射面把机械能量传递到空气中。

这个过程中，陶瓷的尺寸、厚度、材料配方和振动模式，都可能影响*终换能效果。例如，在评价压电陶瓷性能时，经常会看到d33、机电耦合系数和机械品质因数Qm等参数。d33反映特定方向上的压电响应能力；机电耦合系数与电能和机械能之间的转换效率有关；Qm则与机械振动中的能量损耗密切相关。对于依靠共振工作的超声波换能器，这些指标都会影响器件的输出能力和工作特性。

波速现有超声传感专用压电陶瓷产品中，就有外径约5 mm、厚度0.2±0.03 mm的单层PZT器件，压电常数d33达到470 pC/N以上，平面机电耦合系数kp大于0.64，径向谐振频率为405±20 kHz。这些参数体现了波速在微型压电陶瓷材料与制造方面的技术积累。

不过，这里有一个十分重要的工程区别：上述405 kHz是特定陶瓷的径向谐振参数，并不意味着它可以不经过重新设计，就直接用于40 kHz定向音箱。不同工作频率、振动模式和声学负载，对压电陶瓷与换能器结构的要求并不相同。

真正开发定向声学换能器时，工程师需要围绕目标超声载波频率，重新匹配陶瓷材料、结构刚度、电极配置和驱动电路。材料性能优秀，只意味着拥有良好的研发起点，并不自动等于装配完成以后具有理想的声压输出。

从一片陶瓷到一个合格的换能器，真正的技术门槛，在于让材料的机械响应与整体声学结构准确匹配。

从一个换能器到定向声场，真正的难点在哪里？

如果把一只超声波换能器看成一个独立的发声单元，那么在典型的参量阵列定向音箱中，工程师往往需要将多个换能器按照一定方式排列，使它们共同形成具有目标方向性的超声声场。

这种阵列看上去可能只是几十个圆形换能器整齐排列，但真正决定声场表现的，并不是换能器数量越多越好，而是每个单元能否在合适的频率、声压和相位条件下协同工作。

例如，某一批换能器的中心频率存在明显差异，就可能导致各单元在目标工作频段的输出不一致；如果电容或阻抗存在较大波动，同一套驱动电路也可能无法让所有换能器获得接近的振动响应；如果相位关系没有得到合理控制，*终形成的超声波束也可能出现不希望的扩散或者旁瓣。

这就意味着，超声波换能器不能只看单只器件能否发出声音，还需要考虑大批量器件之间的频率一致性、阻抗特性、声压输出和长期稳定性。尤其对于定向音箱而言，压电换能器既需要较强的超声输出能力，也需要满足实际音频调制对工作带宽的要求。

某些换能器可能在一个很窄的频点附近具有较高的声压，但一旦频率偏离中心值，输出便明显降低。这种特性对于单频超声应用未必是问题，但在需要承载宽频音频信号时，就可能进一步影响*终声音质量。因此，谐振频率高、机械品质因数大，并不意味着换能器在定向发声应用中一定更优秀。工程师还需要在声压、带宽、驱动效率和失真之间寻找平衡。

这也解释了为什么超声波定向音箱的研发，实际上是一项跨越材料、结构、电子和声学算法的系统工程。而上游压电陶瓷的稳定性，正是实现这种协同的基础条件之一。

科研已经证明，换能器设计会直接改变定向音箱的表现

近年来，定向声学研究正在从早期的“如何形成定向声束”，进一步发展到如何降低功耗、扩大频响范围、减少失真并提高结构集成度。

《Sensors》发表的研究《A Critical Step to Using a Parametric Array Loudspeaker in Mobile Devices》，就专门围绕参数阵列扬声器的小型化和低功耗问题开展了实验。研究人员通过换能器、信号处理与驱动电路的协同设计，验证了紧凑型定向声学系统的可行性。其中一个值得关注的实验结果是，通过引入匹配电路，系统所需功率由约6.65 W降低到3.25 W。

这组数字并不是波速产品或者汉得利定向音箱的实测功耗，而是该研究在特定装置和测试条件下获得的结果。但它说明了一个非常重要的工程规律：换能器的电气特性与驱动电路匹配，会直接影响整套定向发声系统的能耗表现。

另一项发表在《Nature Communications》的研究《Dual-domain Metamaterials Co-integrated with a Compact Ultrasonic Transducer for Highly Directional Audio Generation》，则从另外一个方向展开探索。

研究人员不再简单依靠大量独立超声发射单元，而是将单体压电超声换能器与声学超材料结构结合，通过声场整形与振动控制，实现了500 Hz至10 kHz范围内的宽频定向可听声输出。

这项成果值得注意的地方，并不只是实验装置实现了较宽的可听频率范围，而是证明了定向声音的产生方式仍然存在进一步优化的空间。未来的定向音箱可以继续采用多换能器阵列，也可能通过不同的结构集成方式减少器件数量，提高系统的紧凑程度。

上述两项科研成果采用了不同的技术方案，不能直接视为波速现有产品的性能表现，但它们共同揭示了一个趋势：定向声学的性能提升，正在从单纯优化算法，进一步走向换能材料、机械结构和声学系统的协同设计。

对于压电陶瓷制造企业而言，这意味着上游材料不再只是被动接受一个固定尺寸的加工要求，而是有机会更早参与到整个换能器的设计过程中。

从数十种陶瓷配方到国际声学合作，波速背后是一条怎样的技术链？

对于江苏波速传感器有限公司来说，超声波换能并不是一项完全陌生的技术领域。公司自2012年成立以来，长期围绕压电陶瓷和传感器开展研发制造，在汽车电子、工业传感、超声波感知及其他精密压电器件领域形成了持续的技术积累。

常州市侨联公开报道显示，波速已经掌握超声波传感器核心压电陶瓷芯片的数十种材料配方，相关产品进入汽车电子、工业控制和物联网等市场，并出口欧洲、美洲及东南亚地区。对于定向声学换能器开发企业来说，这些材料技术的价值，并不只是说明波速可以生产不同尺寸的陶瓷片，而是意味着企业拥有从材料体系出发进行性能匹配的基础。

不同压电陶瓷配方，在压电常数、机电耦合能力、介电损耗、温度稳定性和长期老化等方面具有不同特性。对于需要持续高频工作的超声波换能器来说，这些差异*终可能反映到振动效率、驱动负载和长期可靠性上。

波速长期积累的成型、烧结、电极处理、极化和性能检测能力，使其能够围绕这些关键指标开展材料制造与质量控制。特别是当下游产品需要大量换能器构成阵列时，压电陶瓷的尺寸、电气性能和批次一致性，就会从单件加工要求转变为影响整个系统性能的重要因素。

与此同时，波速还能够依托母公司汉得利在微电声与压电器件方面的产业积累。汉得利（常州）电子股份有限公司成立于2002年，经过二十余年的发展，业务逐步形成覆盖声学、传感器、触觉反馈和微型热管理的技术体系。汉得利控股体系已经具备50～100层高层叠压电陶瓷的稳定量产能力，并形成从陶瓷粉体配方、精密叠层到器件集成的相关制造技术。

这些能力并不意味着所有超声波换能器都需要采用多层陶瓷，但从底层技术来看，材料配方、电极制造、烧结与极化工艺之间具有相通的工程基础。无论未来客户采用单层陶瓷、多层陶瓷还是其他复合振动结构，对材料稳定性与精密制造的要求都不会消失。

汉得利控股体系在产学研方面也形成了长期积累。公开资料显示，汉得利曾与天津大学、四川大学等高校开展技术合作，并联合南京航空航天大学及相关科研院所的创新资源推进材料与器件研发。其中，由汉得利、南京航空航天大学、江苏理工学院及江苏波速传感器有限公司等单位共同完成的“堆叠式低温共烧高灵敏度压电陶瓷传感器关键技术及应用”项目，曾进入江苏省科学技术奖相关提名名单。

这些成果并不代表本文所讨论的定向音箱采用了该项目中的某项技术，但能够反映波速及汉得利在压电材料与器件研发方面形成的持续积累。更加值得关注的是，汉得利所在的BESTAR体系还拥有与定向声学直接相关的国际合作案例。

在CES 2024期间，声学技术企业Noveto曾与BeStar及SEI合作开发新一代超声波私人声场Soundbar，并展示能够将声音更加集中地传递到指定听众区域的技术方案。通过超声波定向发声与听众位置跟踪等技术，相关产品探索了不依靠耳机，也能获得个性化声音体验的可能性。

这个案例的意义，并不在于证明波速某一款陶瓷已经直接应用到该产品中，而是说明汉得利所在的产业体系已经实际参与到国际定向声学技术的产品开发与展示之中。对于波速而言，母公司的声学研发经验、驱动与系统集成能力，能够为压电陶瓷进一步进入超声波定向发声领域提供更加贴近终端需求的技术背景。

从材料到换能器，再到定向音箱，产业链的不同环节正在形成越来越紧密的联系。

定向声学走向产业化，为什么需要从压电陶瓷开始合作？

随着展馆定点讲解、商业显示屏、私人办公声区和智能座舱等场景不断发展，声音输出已经不再只是追求更大的声压或更丰富的低频。如何让声音更准确地到达需要它的位置，正在成为新型声学系统的重要设计方向。

但定向音箱真正进入产品开发以后，工程师仍然需要面对成本、功耗、带宽、失真、可靠性和批量一致性等现实问题。如果换能器阵列由数十个单元组成，那么任何单元之间的频率、阻抗或声压差异，都可能增加后续调试和系统补偿的难度；如果陶瓷材料在长期高频驱动中出现性能变化，*终也可能影响整套设备的声学输出稳定性。

因此，对于准备自主研发超声波换能器、定向发声模组和定向音箱的企业来说，压电陶瓷不应该只是产品开发后期才进行采购的一项普通零件。更合理的方式，是在研发初期就结合目标超声载波频率、所需声压、工作带宽、驱动电压、结构空间及长期可靠性要求，确定压电材料的性能和制造条件，再进一步完成换能器、阵列及系统设计。

汉得利控股的波速传感器，正是依托长期形成的压电陶瓷材料配方、精密制造和规模供应基础，为超声波换能器及相关声学器件开发企业提供上游材料与核心器件支持。

对于终端用户来说，他们*终听见的是来自指定方向的音乐、语音或者提示音；对于声学工程师来说，这背后是超声波换能器、阵列结构和信号处理之间的精密协同；而再向上游追溯，完成这一切机电转换的关键起点，仍然可能是一片压电陶瓷。

让声音传播得更远，是传统声学持续探索的目标；让声音更准确地到达需要它的位置，则为新型声学技术打开了另一条道路。

从一片压电陶瓷到一束定向声音，波速希望交付给客户的，不只是能够产生高频振动的材料，更是支撑下一代超声波换能器和定向声学产品开发的可靠基础。

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