论文第一作者为宾夕法尼亚州立大学钟家鑫博士后和季均博士（现为弗吉尼亚理工大学博士后），通讯作者为景云教授。Lawrence Livermore National Laboratory的Xiaoxing Xia博士和宾夕法尼亚州立大学Hyeonu Heo博士参与了该工作。
在音频工程领域，控制声音的局域性重放是一个长期挑战。由于低频声波的波长较长，其在传播过程中会发生衍射效应，导致声音难以被精准地限制在特定区域。例如，即便是当前参量阵扬声器和声场分区控制技术能够产生高指向性和局域化的可听声，但仍无法避免声音沿着传播路径泄露，从而影响周围环境。
近年来，自弯曲波束由于其能够绕过障碍物传播的特性，在声学、光学等领域引起了广泛关注。然而，在音频频段实现此类技术仍面临巨大挑战。此前研究表明，若要让 4 kHz 的声音绕过一个人头大小的障碍物，传统方法需要一个2.6 米长的声源阵列，而对于更低频率的声音，所需声源尺寸更大，实用性极低。
如何在更紧凑的结构下，远程生成高对比度的可听声场，且不受障碍物阻挡？这一难题，正是本研究所要解决的核心问题。
非线性声学 + 自弯曲超声波束 = 可听飞地
如图1所示，本研究利用两束频率不同的超声波（39.5 kHz 和 40 kHz），通过声学超表面调控其相位，使其沿预设的弯曲轨迹传播，并在人头大小的障碍物后方交汇。在该交汇区域，局部非线性声学效应使两束超声波相互作用，产生一个新的低频可听信号（例如 500 Hz）。这一过程类似于“声音的局部再生”，确保了声音只在交汇点出现，而整个传播路径保持无声。实验验证（图2、3）结果显示，在可听飞地内部相对其传播路径，声学对比度可达 20 dB 以上，确保了声音的局域性和私密性。
传统线性声学方法在音频传输中常受带宽受限的约束，难以覆盖完整的语音和音乐频段。本研究巧妙结合非线性声学效应的频谱变换机制，成功突破这一限制。在超声频段，超表面的设计带宽相对较窄（如 40 kHz 的 10%），但通过非线性相互作用，该窄带超声波可映射至更低的音频频段，实现 125 Hz – 4 kHz（六个倍频程） 的超宽带覆盖。这一带宽几乎涵盖了语音通信和音乐信号的主要频段，表明该技术在远程私人语音通信和消费级音频播放（如音乐、电影音效、沉浸式空间音频）方面具有广阔的应用前景。此外，该方法的声源孔径仅 0.16 米（约为 125 Hz 波长的 6%），相比传统方案大幅缩小，不仅提升了系统的紧凑性和可操作性，也为实际应用提供了更大的灵活性。
如图4所示，研究团队在普通室内混响环境中测试了该技术在真实场景下的表现，即使在声波可能被墙壁、家具等多重反射的复杂空间内，可听飞地仍能保持精准的声场聚焦和良好的音质还原。在9 秒钟的瞬态音乐信号测试中，时频谱实验数据显示，可听飞地内能够清晰重放目标宽带音乐信号，而头躯干模拟器的耳部信号几乎不可闻，表明非目标区域的听众难以察觉声音的存在。
图1. 示意图：基于两束自弯曲超声波束的局部非线性相互作用远程生成可听飞地
通过频率为f1和f2的两束自弯曲超声波束的局部非线性相互作用，在障碍物（图中以人头示意）后方形成频率为|f2-f1|的可听飞地。
图2. 纯音音频信号激励下的声场测量与仿真分布
（A、C、E）为实验测量声场分布（单位：Pa），（B、D、F）为数值仿真结果。（A、B）500 Hz音频声场分布，中心位于（x, y）=（0, 325 mm）的可听飞地清晰可见。（C、D）39.5 kHz自弯曲超声波束沿+x方向传播，（E、F）40 kHz波束沿−x方向传播。障碍物设置：声学刚性圆柱体（半径90 mm），中心位于（0, 90 mm）。超声源标注：39.5 kHz（▬）与40 kHz（▬）声源以实线标记于y = 0下方。
图3. 存在半径90 mm圆形声学刚性障碍物时，不同纯音音频信号激励下的声场测量分布
（A）125 Hz、（B）250 Hz、（C）500 Hz、（D）1 kHz、（E）2 kHz 和（F）4 kHz 频率下的声场分布（单位：Pa）。所有实验中，中心超声波频率均为40 kHz，且采用与图2相同的超表面。
图4. 瞬态宽带音频信号激励下的测量结果
（A）实验设置右视图与（B）左视图（含头躯模拟器作为障碍物）。（C）激励信号的频谱密度示意图。（D–G）时频谱图（单位：dB/Hz）：（D）输入的瞬态宽带音频激励信号；（E）目标区域（可听飞地）的测量信号；（F）左耳处测量信号；（G）右耳处测量信号。
“可听飞地”技术突破了传统定向音频的局限，实现了真正的远程精准声场控制，为空间定向音频传输提供了全新思路。本研究首次将局部非线性声学与自弯曲波束结合，开创了一种高分辨率声场操控的新范式。这一技术不仅为个性化音频体验提供了新的可能，也为声学隐私保护、沉浸式空间音频、智能音响系统等应用拓展了新方向。未来，研究团队将进一步优化该技术，使其更贴近实际应用，让更多人能够体验到这一前沿声学突破带来的变革。通过优化超表面设计提升带宽，并结合非线性补偿技术抑制失真，该技术有望在通信、娱乐、虚拟现实（VR/AR）等领域发挥更大潜力。
论文信息：
J.-X. Zhong, J. Ji, X. Xia, H. Heo, and Y. Jing, Audible enclaves crafted by nonlinear self-bending ultrasonic beams, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 122, e2408975122 (2025).
论文链接：
https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2408975122
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