羅里剛

（四川長虹網(wǎng)絡(luò)科技有限責(zé)任公司 綿陽 621000）

前言

智能音箱現(xiàn)已成為人們?nèi)粘Ｉ钪惺殖Ｒ姷奈锲?，智能音箱的?yīng)用改變了人們的收聽方式和收聽體驗(yàn)。揚(yáng)聲器在智能音箱中占據(jù)著重要位置，揚(yáng)聲器的品質(zhì)和功能對音箱的性能具有顯著影響。因此，有必要高度關(guān)注智能音箱的揚(yáng)聲器設(shè)計(jì)。

1 音箱揚(yáng)聲器智能技術(shù)概述

智能音箱是科學(xué)技術(shù)發(fā)展中的重要衍生品，是人們在互聯(lián)網(wǎng)上實(shí)現(xiàn)語音通信必不可少的工具，如在網(wǎng)上查詢天氣預(yù)報(bào)和在網(wǎng)上點(diǎn)歌。同時(shí)，該技術(shù)產(chǎn)品也可控制智能設(shè)備，冰箱的溫度提示和窗簾開關(guān)便是其中的典型代表。智能音箱可為人們提供遠(yuǎn)程對話服務(wù)，解決人們?nèi)粘Ｉ钪械睦_。另外，音箱揚(yáng)聲器智能技術(shù)可有效減少甚至消除揚(yáng)聲器自帶的雜音，語音交互功能相對完善。在音箱揚(yáng)聲器設(shè)計(jì)時(shí)智能技術(shù)的應(yīng)用滿足時(shí)代發(fā)展要求，可為人們的日常生活提供優(yōu)質(zhì)服務(wù)。

2 智能音箱揚(yáng)聲器設(shè)計(jì)的必要性

當(dāng)前，智能音箱得以廣泛應(yīng)用，人們也十分喜愛智能產(chǎn)品，這激發(fā)了人們對智能、語音交換和低失真音箱的需求。音箱音質(zhì)的重要判斷指標(biāo)之一是揚(yáng)聲器的質(zhì)量。智能音箱的設(shè)計(jì)人員要按照規(guī)范要求控制揚(yáng)聲器的失真條件、功率、磁路要求和部件質(zhì)量，以此確保智能音箱揚(yáng)聲器的品質(zhì)符合人們使用需求，優(yōu)化電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)品質(zhì)。

3 智能音箱的揚(yáng)聲器設(shè)計(jì)分析

音箱在確保不失真的情況下，隨著功率的不斷加大，將會出現(xiàn)以下問題：一是音箱設(shè)備運(yùn)行中，整體會出現(xiàn)較大的抖動現(xiàn)象，影響到遠(yuǎn)揚(yáng)麥克風(fēng)的應(yīng)用效果，導(dǎo)致錄音數(shù)據(jù)精準(zhǔn)性降低，識別功能無法有效發(fā)揮；二是語音識別麥克風(fēng)陣列模組背后會存在振動噪音，麥克風(fēng)無法在第一時(shí)間內(nèi)進(jìn)行聲音收集和處理，降低了音質(zhì)及數(shù)據(jù)接收的準(zhǔn)確性，進(jìn)而影響了音箱遠(yuǎn)程喚醒的效果。另外，智能音箱在應(yīng)用過程中，要求在遠(yuǎn)揚(yáng)條件下保持均勻聲揚(yáng)。為達(dá)到這一目標(biāo)，解決上述問題，下文將根據(jù)現(xiàn)有實(shí)例展開分析，對智能音箱揚(yáng)聲器中存在的振動問題及非線性失真問題實(shí)行分析探討，并給出相應(yīng)的改善方案。

3.1 揚(yáng)聲器系統(tǒng)設(shè)計(jì)

客戶對產(chǎn)品音質(zhì)有較高要求，在產(chǎn)品外觀不發(fā)生明顯變化的情況下，只允許在音箱的底部或底部側(cè)面開孔，可發(fā)音，后經(jīng)過與客戶的多次討論，客戶允許在產(chǎn)品頂面右側(cè)空調(diào)網(wǎng)的下方設(shè)置高音單元。高頻聲音清晰，不刺耳，低音厚實(shí)、干凈，總功率保持在8～10 W的范圍內(nèi)。

3.1.1 揚(yáng)聲器尺寸的選擇

揚(yáng)聲器敷設(shè)的聲音功率與紙盆振動速度、輻射阻抗有效電阻成反比關(guān)系，擴(kuò)大紙盆的表面積可顯著控制懸掛系統(tǒng)在低頻狀態(tài)下軸向的移動，也可減輕非線性失真問題。但是要確保紙盆質(zhì)量與輻射面積的同時(shí)提升，以確保揚(yáng)聲器的效果。所以，揚(yáng)聲器的外徑尺寸與其所承受的功率成正比。低頻特性優(yōu)良，揚(yáng)聲器的等效容積與順興、面積成正比，即：

等位容積與單元直徑成正相關(guān)。結(jié)合本產(chǎn)品的空間尺寸，揚(yáng)聲器最大尺寸應(yīng)為47 mm×47 mm。

3.1.2 揚(yáng)聲器并接特性

由于產(chǎn)品底部向外輻射的空間不大，中高頻響聲壓級會隨之衰減，因此可選用兩只8 Ω、3 W的全頻單元并接，將其用在系統(tǒng)的中低音頻域之中。利用相同規(guī)格的2只單元并接與原單只單元的聲強(qiáng)級進(jìn)行仔細(xì)比對，在產(chǎn)品低音聲強(qiáng)級的變化計(jì)算時(shí)，運(yùn)用分貝進(jìn)行計(jì)算，可表示為：

并接的單元位移有所減小后可有效控制系統(tǒng)低頻響應(yīng)非線性失真。

3.1.3 音圈

為確保中低音系統(tǒng)的頻帶寬度，聲壓級別，產(chǎn)品單元需卷繞在直徑為20 mm的Kapton骨架上，包裹銅包鋁線。研究數(shù)據(jù)證明，在偏軸30 °位置，相同規(guī)格的單元4層線音圈在頻響超過1kHz以上時(shí)，其衰減明顯大于2層線音圈。

3.1.4 振膜和磁體

基于單元中低頻寬，產(chǎn)品單元需選擇凹面紙盆振膜+凸防塵帽，其中低頻的輻射效率較為理想。采用主磁+副磁的磁路結(jié)構(gòu)，提高單元的靈敏度，有效控制低頻振動諧波失真問題。

3.1.5 增加高音單元

由于產(chǎn)品外觀結(jié)構(gòu)的限制，產(chǎn)品底部的頻響范圍無法滿足規(guī)定要求，對高頻清晰度產(chǎn)生了較大影響。產(chǎn)品的右上角空調(diào)網(wǎng)下方位置需安裝一只33 mm、4 Ω、3 W的絲膜球頂高音單元，其向上輻射，可獲得較好的360 °高頻域指向性。

3.2 內(nèi)部箱體設(shè)計(jì)

依據(jù)選用的單元T/S參數(shù)，明確箱體的最大設(shè)計(jì)容積。諸多智能音箱的麥克風(fēng)單體和外殼部分安裝了接觸裝置，經(jīng)外殼體或空間輻射傳導(dǎo)，箱體震動可直接傳到麥克風(fēng)或麥克風(fēng)陣列膜組PCBA?，F(xiàn)階段，采取先進(jìn)的減振手段能夠承載中低音及全頻響功率的音箱，獨(dú)立的箱體與外殼的距離必須滿足規(guī)定要求。當(dāng)前普遍接受的推薦值為1～5 mm。

3.2.1 箱體的減振設(shè)計(jì)

該產(chǎn)品減震設(shè)計(jì)中主要采用8個(gè)硅膠柱套與上下殼膠柱裝配，采取有效措施減小與殼體的接觸面積，從而起到減振作用。

3.2.2 無源輻射器減振應(yīng)用及設(shè)計(jì)

為減輕中低頻響產(chǎn)生的箱體振動，需在產(chǎn)品2只單元側(cè)面位置安裝平板型無源輻射器，且二者需對稱安裝。產(chǎn)生空氣振動后能夠吸收部分音能，有效抑制箱體與殼體的振動，這樣也能夠擴(kuò)大低音頻域，無源輻射器和單元運(yùn)行的過程中均處于低頻區(qū)，低音單元的聲負(fù)載能夠嚴(yán)格控制低音單元位移，防止低頻振動環(huán)境中可能出現(xiàn)的非線性失真問題。

無源輻射器能夠獲取較大的位移空氣體積，同時(shí)也可實(shí)現(xiàn)低頻響應(yīng)。無源輻射器的有效面積通常是單元有效面積的1～2倍。該產(chǎn)品當(dāng)中低音系統(tǒng)單元尺寸取47 mm×47 mm，其有效面積應(yīng)取1/3的折環(huán)內(nèi)寬度,進(jìn)而得出面積。另外，結(jié)合中低音箱體側(cè)面尺寸，兩側(cè)無源輻射器的最大有效面積也可得到精準(zhǔn)數(shù)值。無源輻射器選用具有優(yōu)良阻尼特性的SBR，中間鐵片的厚度控制為0.5 mm，以此為工業(yè)學(xué)院配重校正提供便利條件。為規(guī)避無源輻射器折環(huán)大位移過程中出現(xiàn)嚴(yán)重的褶皺和失穩(wěn)問題，進(jìn)而引發(fā)非線性失真，無源輻射器需在折環(huán)上設(shè)置凸加強(qiáng)。

3.2.3 箱體內(nèi)的填充物

箱體形狀較長，需在內(nèi)壁位置增設(shè)加強(qiáng)筋，同時(shí)在單只單元背后投放一塊PET吸音棉，吸音棉能夠控制箱體內(nèi)部反射所引發(fā)的染色問題，也可優(yōu)化箱體的聲順性。

3.3 聲反射器的設(shè)計(jì)

智能音箱廣泛應(yīng)用于遠(yuǎn)場場景，需在3～5 m的半徑內(nèi)獲取相似的聽覺感受，所以需利用錐形反射器于水平360 °的方向形成均勻聲場。受產(chǎn)品外觀的影響，無法在中低頻區(qū)滿足全方位的聲擴(kuò)散。為此，提出在底部出音空間中的每一只揚(yáng)聲器上均設(shè)置錐形反射器，從而擴(kuò)大聲擴(kuò)散的范圍。

3.3.1 拋物面體

拋物面體是其所在拋物線沿對稱軸旋轉(zhuǎn)360 °后形成的面，拋物面光源或其它能源主要集中于拋物面焦點(diǎn)，輻射能源可由拋物面反射與對稱軸平行。

3.3.2 剛性圓球面的散射聲場

若聲波與剛性圓球相遇，球體對聲波具有較強(qiáng)的散射作用，空間中具有原入射波和向四方散射的散射波，如球面半徑較大，5成散射波會集中在入射波的方向上，另外5成則會均勻地分布于其他方向。若聲波頻率較低，波長遠(yuǎn)大于圓球半徑，圓球不會影響入射波的傳播，入射波可繞過與圓球向前傳播。

3.3.3 聲反射器尺寸設(shè)計(jì)

聲反射器半球面定點(diǎn)的高度需高于單元折環(huán)的高度，其以音圈向外位移最大行程為最終的高度取值。本文反射器頂部的R值可全方位順應(yīng)規(guī)定要求。輻射聲波在反射器的作用下，可在水平方向上獲取較為均勻且寬闊的聲場，也可嚴(yán)格控制垂直方向上的指向性。產(chǎn)品底面的出聲高度較小，只有7 mm。拋物面體及半球面結(jié)合后可形成聲反射器，反射的空間較小，揚(yáng)聲器與反射器能夠形成科學(xué)的高階反射，對高頻聲波反射的質(zhì)量及完整性也產(chǎn)生了較為顯著的影響。

3.4 分頻點(diǎn)的選擇及最終的箱體頻響

該產(chǎn)品功放前級可落實(shí)二階電子分頻。單元功率儲量直接影響了分頻點(diǎn)選擇。盡可能不要將分頻點(diǎn)設(shè)于1～3 kHz，以改善聲源分聽的效果，合理調(diào)整機(jī)調(diào)音，明確整機(jī)頻響曲線。

本產(chǎn)品在公放前實(shí)現(xiàn)二階電子分頻處理，由于單元功率的儲量會對分頻點(diǎn)選擇帶來一定的影響，所以在設(shè)計(jì)中，要做到科學(xué)管控，關(guān)于分頻點(diǎn)的設(shè)置，盡量避開人耳最為敏感的1～3 kHz，以免在生源收聽過程中，出現(xiàn)分離現(xiàn)象，影響智能音箱使用性能。另外，注重整機(jī)調(diào)音處理，對頻響曲線進(jìn)行科學(xué)規(guī)劃。一般情況下，中低音單元會在9 kHz左右進(jìn)行滾降，高音單元f0約在2 kHz，分頻點(diǎn)可控制在5 kHz左右，較高音單元f0一倍頻程較合適。

4 基于智能模式下音箱揚(yáng)聲器的設(shè)計(jì)體會

智能模式下，音箱揚(yáng)聲器的設(shè)計(jì)是在新科技發(fā)展潮流的推動下開展的重要活動，其提供了智能音箱人機(jī)交互服務(wù)，通過創(chuàng)新語言的應(yīng)用提高智能音箱技能水平，滿足不同用戶的需求，加強(qiáng)智能音箱使用的便利性、可靠性，為人們生活帶來更多便利。再者，同普通音箱設(shè)備相比，智能音箱揚(yáng)聲器的科學(xué)規(guī)劃和設(shè)計(jì)，可在原有功能基礎(chǔ)上展開進(jìn)一步優(yōu)化和調(diào)整，提升智能音箱的專業(yè)效果。經(jīng)過專業(yè)分析可知，智能模式下音箱揚(yáng)聲器設(shè)計(jì)打破了傳統(tǒng)技術(shù)的束縛，將互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)很好地融入其中，為智能音箱的進(jìn)一步發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。開展智能模式下音箱揚(yáng)聲器的設(shè)計(jì)，緊跟時(shí)代潮流，以滿足不同人群生活所需，提高生活質(zhì)量。同時(shí)也為智能音箱市場變革及發(fā)展提供強(qiáng)大推動力。

智能音箱是新時(shí)代發(fā)展的必然產(chǎn)物，在設(shè)計(jì)過程中，揚(yáng)聲器作為較為重要的硬件結(jié)構(gòu)，需要開展單元構(gòu)件、失真設(shè)計(jì)、磁路優(yōu)化等多方面工作，加大分析和研究力度，根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)優(yōu)勢，不斷完善揚(yáng)聲器品質(zhì)功能，增大智能音箱的使用率，體現(xiàn)市場價(jià)值優(yōu)勢。另外，在設(shè)計(jì)過程中，智能音箱中還應(yīng)做好芯片的有效融合，加強(qiáng)智能型和自動化控制，保證智能模式下音箱揚(yáng)聲器的快速識別和開啟，發(fā)揮智能音箱的功能作用，嚴(yán)格把控相關(guān)工作。

5 結(jié)語

智能音箱中揚(yáng)聲器的品質(zhì)尤為重要，因此，智能音箱揚(yáng)聲器設(shè)計(jì)得到了人們的高度關(guān)注。為保證智能音箱中揚(yáng)聲器設(shè)計(jì)效果，就應(yīng)結(jié)合實(shí)際，采取切實(shí)可行的專業(yè)技術(shù)，改善音箱品質(zhì)，從而為大眾打造更加理想的聽覺感受，推動智能音箱的發(fā)展。