實現開放式 AI 穿戴裝置的私密聆聽

執行摘要 (Executive Summary) 
將AI助理整合至眼鏡裝置中，面臨著一個關鍵障礙：聲學隱私(acoustic privacy)。傳統的開放式揚聲器就像微型的全向廣播台，旁人容易聽到敏感的AI回覆、簡訊朗讀或導航提示。這種「漏音 (sound leakage)」現象對於個人AI裝置而言，是一個根本性的安全漏洞。
本報告詳細介紹了一種專為解決此挑戰而設計的專用聲學架構。透過利用「雙極相位抵消(Dipole Phase Cancellation)」技術，我們設計了一種微型揚聲器系統，能將聲壓(SPL)集中在近場（使用者的耳朵），同時主動抑制聲音傳播到遠場（旁人區域）。模擬結果證實了「隱私指數(Privacy Index)」顯著的提升，確保與AI互動時，保持在安全私密的個人體驗，而非公開廣播。

1. 隱私挑戰：開放式聆聽的悖論 (The Open-Ear Paradox) 
為了確保全天候佩戴的安全與舒適，AI眼鏡必須保持「開放式」設計，讓使用者能聽見環境音。然而，物理定律指出，在開放空間中的驅動喇叭單體，傾向於在低、中頻率區段向所有方向均勻地輻射聲音。
對於AI裝置來說，這是不可接受的。當助理朗讀機密郵件或健康通知時，必須僅讓佩戴者聽見。因此，設計的挑戰在於打破「耳邊聲壓響度」與「遠處聲壓響度」之間的關聯。我們必須創造一條極其陡峭的「聲學衰減曲線 (acoustic decay curve)」。
目標：在使用者的耳朵處達到至少85 dB的聲壓（確保清晰度），同時在 0.5公尺距離處維持低於45 dB的聲壓（環境背景噪音水平）。

2. 解決方案：雙極相位抵消物理學 (Dipole Phase Cancellation Physics)
我們放棄了傳統的 「單極(monopole)」 揚聲器設計（即像球體一樣向外360度輻射聲音），轉而採用雙極(dipole)架構。雙極聲源由兩個輻射相位差為180°的聲學開孔組成:
2.1 主發聲孔 (The Primary Port / Speaker Face)：將正相位的聲波直接射入使用者的耳道。
2.2 次發(洩)聲孔 (The Secondary Port / Rear Vent)：向模擬確認後的最佳化位置(方向)發射負相位的聲波。
如何創造靜音區：當這兩股相位相反的聲波在裝置外的開放空氣中相遇時，它們會產生破壞性干涉 (destructively interfere)。主波的正峰值會被次波的負波谷有效「抵消」。這因此產生了一種聲學「短路 (short-circuit)」現象，導致聲能離開鏡腳幾公分後迅速消散。

3. 技術驗證：模擬結果 (Technical Validation: Simulation Results) 
為了驗證此架構，我們利用COMSOL Multiphysics進行了有限元素分析(FEA)，模擬在無響室環境下的 AI眼鏡鏡腳部分。
3.1 模擬模型的建立條件

圖1: 模擬條件_01：AI眼鏡鏡腳中僅與揚聲器（聲音輸出）相關的部件： (圖示包含：次發(洩)聲孔/後通風口/揚聲器背面、揚聲器本體、主發聲孔/揚聲器正面)。

圖2: 裝置被一個空氣球體包圍，即模擬無響室環境。定義第一個參考點（使用者的耳朵），用於計算聲壓。(圖示說明：接收聲音的點（使用者耳朵）距離為1公分)

圖3 (zoom in): 定義第一個參考點（使用者的耳朵），用於計算聲壓。(圖示說明：接收聲音的點（使用者耳朵）距離為1公分)

圖4 &圖5:模擬條件_02：旁人的距離在1跟10公分(參考用)與50公分

圖6 (zoom in): 定義第二個以及其他參考點（旁人）

3.2 模擬結果 (The simulation results) 

3.2.1 聲學衰減曲線（無次發(洩)聲孔- 標準微型揚聲器）圖6：(圖表顯示聲音隨距離衰減較慢)

圖7: 頻率響應曲線比對（無次發(洩)聲孔-一般標準微型揚聲器）

3.2.2聲學衰減曲線（有次發(洩)聲孔- AI 隱私架構）圖8：(圖表顯示聲音隨距離衰減極快)

圖8: 頻率響應曲線比對（有次發(洩)聲孔- AI隱私架構）

3.3 聲壓 (SPL) 分佈圖 
下圖展示了1 kHz（人聲清晰度的關鍵頻率）下的聲音空間分佈 。

圖9：1 kHz處的SPL分佈。請注意聲能極度集中（紅色區域）於近場耳道，並在距離鏡腳 10 到50公分迅速衰減至底噪水平（藍色區域）。

4. 性能指標：隱私指數 (Performance Metrics: The Privacy Index) 
為了量化防漏音技術的成效，我們定義了「隱私指數」，這是傳遞給目標（耳膜）的聲能與洩漏給旁人（0.5 公尺處）的聲能之比率。
性能對比表：

性能對比表：

指標	標準微型揚聲器	AI 隱私架構	改善幅度
耳邊聲壓 @ 1 kHz（目標）（至少應達到 85 dB）	91 dB	87 dB	-
0.5 m 處聲壓 @ 1 kHz（漏音）（至少應低於 45 dB）	51 dB（清晰可聽見）	16 dB（如耳語般安靜）	降低 35 dB
人聲頻段清晰度	高	高	-

註：聲壓每降低 10 dB，人耳感知到的響度即減半。降低 45 dB 代表可聽到的漏音大幅減少。

 

結論 (Conclusion) 
透過運用聲學相位抵消的物理原理，我們成功設計出一套開放式音訊系統，解決了AI穿戴裝置對隱私的關鍵需求。數據證實，我們可以在提供使用者清晰、易懂的AI語音助理的同時，避免將敏感數據變成「公開廣播」。此架構將揚聲器從單純的音訊元件，轉變為適合下一代AI智慧眼鏡的安全通訊傳輸裝置。