智能音箱的揚聲器系統(tǒng)設(shè)計案例

陳炳佐

（深圳魔耳智能聲學科技有限公司，廣東 深圳 518071）

自2014 年亞馬遜發(fā)布首款具有語音識別的ECHO 智能音箱以來，智能音箱開啟了智能語音生態(tài)系統(tǒng)重要入口，成為智能家居的聲控中心和實際載體。智能音箱功率由幾瓦發(fā)展到100 W 以上，體積向小型化發(fā)展的市場需求趨勢越來越明顯。此外，語音識別麥克風陳列模組距離驅(qū)動單元越來越近，其AEC（聲學回聲消除）算法目前只能消除單元振動近距離聲壓級的-20～-30 dB。音箱在保證低失真率的前提下，在功率加大后存在兩個問題：一是整機抖動大，影響遠揚麥克風的錄音數(shù)據(jù)準確度，造成遠揚語音識別率嚴重下降；二是語音識別麥克風陣列模組背后的振動噪音加大，麥克風的錄音數(shù)據(jù)準確度下降，造成遠揚語音喚醒率嚴重下降。另外，智能音箱實際應用環(huán)境是在遠揚條件下追求均勻聲場。本文以工作實例為基礎(chǔ)，研究智能音箱的揚聲器系統(tǒng)如何降低整機的振動和非線性失真問題。

1 揚聲器系統(tǒng)設(shè)計

客戶對產(chǎn)品音質(zhì)方面的要求主要涉及3 個方面：一是保證產(chǎn)品外觀不變動，只允許底部和底部側(cè)面開孔出音，后與客戶再三討論允許產(chǎn)品頂面右邊空調(diào)網(wǎng)下方安裝高音單元；二是高頻清晰不刺耳，低音厚實干凈；三是總功率為8～10 W。

1.1 揚聲器尺寸的選擇

揚聲器輻射的聲功率同紙盆的振動速度和輻射阻抗的有效電阻成比例。加大紙盆的表面面積會減少懸掛系統(tǒng)在低頻時的軸向移動，同時減少非線性失真，但前提是紙盆表面的輻射面積和質(zhì)量同時增加，否則會降低揚聲器的效率［1］。因此，揚聲器外徑尺寸越大，它所能承受的功率越大，低頻特性也越好。

揚聲器的等效容積Vas與順性Cms、面積成正比，即：

此外，當單元直徑加大時，Vas也會加大［2］。根據(jù)本產(chǎn)品內(nèi)部空間尺寸，可用最大標準揚聲器的尺寸約為47 mm×47 mm。

1.2 揚聲器并接特性

因產(chǎn)品底部向外聲輻射空間狹小，中高頻響聲壓級會嚴重衰減，故可復用2 只8 Ω、3 W 的全頻單元并接（如圖1 所示）用作系統(tǒng)中低音頻域。需要說明的是，并接可保證f0頻率附近的聲壓特性（包括頻響與瞬態(tài)）［3］。

以同規(guī)格2 只單元并接與原單只單元的聲強級進行對比，以分貝計算的產(chǎn)品中低音聲強級變化為：

另外，并接的單元f0處的位移減少，可減小系統(tǒng)低頻響應非線性失真。

1.3 音圈

為了使中低音系統(tǒng)獲得較寬的頻帶，同時保證較高的聲壓級，產(chǎn)品單元選用兩層銅包鋁線卷繞在直徑20 mm 的Kapton 骨架上。Vance Dickason 提供的實驗數(shù)據(jù)表明，同規(guī)格的單元在偏軸30°時，4 層線音圈比2 層線音圈的頻響在1 kHz 以上低通衰減大［2］。

1.4 振膜和磁體

從單元的中低頻寬考慮，產(chǎn)品單元選用凹面的紙盆振膜加凸防塵帽，特點是中低頻區(qū)域輻射效率高。選用主磁加副磁的磁路結(jié)構(gòu)，保證單元的靈敏度，降低低頻振動諧波失真。

1.5 增加高音單元

受制于產(chǎn)品自身外觀結(jié)構(gòu)，產(chǎn)品底部頻響范圍無法達到10 kHz 以上，影響高頻的清晰度。產(chǎn)品在右上角空調(diào)網(wǎng)下方安裝一只約33 mm、4 Ω、3 W 的絲膜球頂高音單元（見圖1）。它的輻射方向朝上，可獲得稍好的360°高頻域指向性。

2 內(nèi)部箱體設(shè)計

根據(jù)選用的單元T/S參數(shù)，本箱體的最大凈容積設(shè)計為283 mL，外形如圖2 所示。

當前，大部分智能音箱因外觀因素，它的麥克風單體與外殼存在接觸裝配。任何箱體振動都會通過外殼體或空間輻射傳導到麥克風或麥克風陣列模組PCBA。目前，有效的減振方式是承載中低音或全頻響功率的音箱需做獨立的箱體與外殼隔開一定的間隙。通常，各語音算法公司的推薦值在1～3 mm。

2.1 箱體的減振設(shè)計

本產(chǎn)品的減振設(shè)計方案如圖2 所示，采用8 個硅膠柱套與上下殼膠柱裝配，通過減小與殼體接觸面積的方式實現(xiàn)減振。

2.2 無源輻射器減振應用及設(shè)計

為減少中低頻響造成箱體振動，產(chǎn)品在2 只單元側(cè)面面對面地對稱安裝平板型無源輻射器（見圖2）。原理是2 個無源輻射器反向位移振動作用在箱體內(nèi)部使空氣振動，從而使部分聲能抵消，減小箱體殼體振動。

本產(chǎn)品無源輻射器除了具有減振作用，還可以有效展寬低音頻域。實質(zhì)上，無源輻射器與單元共同在低頻區(qū)工作，作為低音單元的聲負載，減小低音單元的位移，達到在低頻振動時減小非線性失真的目的。

無源輻射器與開口箱具有相同的Q值。Vance Dickason 指出，無源輻射器箱的校正基本上限定在QB3、B4和C4類型，單元的Qts大于0.5 不采用。因為較高Qts單元產(chǎn)生的幅頻響應將有很大的響應波紋［4］。

為了獲得無源輻射器較大的位移空氣體積，得到較低的低頻響應，無源輻射器的有效面積需為單元有效面積的1～2 倍。本產(chǎn)品中低音系統(tǒng)的單元尺寸為47 mm×47 mm，有效面積按折環(huán)內(nèi)1/3寬度計算，有：

根據(jù)中低音箱體的側(cè)面尺寸，兩側(cè)的無源輻射器最大有效面積為1 310.46 mm2。

無源輻射器材料選用阻尼特性較好的SBR，中間鐵片先選用較薄的0.5 mm 厚度，方便后續(xù)配重校正。為防止無源輻射器折環(huán)大位移時出現(xiàn)褶皺失穩(wěn)造成非線性失真問題，無源輻射器在折環(huán)上增加凸加強。

2.3 箱體內(nèi)的填充物

由于箱體形狀狹長，除了內(nèi)壁增加多處加強筋外，還在每只單元背后放入了一塊PET 吸音棉，尺寸為60 mm×60 mm×20 mm，重1.8 g。此吸音棉能更好地抑制箱體內(nèi)部反射引起嚴重的染色問題，同時會稍增大箱體的聲順性［2］。

3 聲反射器的設(shè)計

因智能音箱在遠場場景應用較多，要求在3～5 m 半徑范圍內(nèi)均能獲得近似的聽感，故利用錐形反射器在水平360°方向形成了一個均勻聲場。本產(chǎn)品因外觀原因在中低音頻域無法實現(xiàn)360°方向聲擴散，折中方案是在底部出音空間內(nèi)為每只揚聲器增加一個錐形反射器，實現(xiàn)產(chǎn)品兩側(cè)面較大范圍的聲擴散。下面介紹與聲反射器設(shè)計相關(guān)的拋物面體和剛性圓球面的聲擴散特性。

3.1 拋物面體

拋物面體是由對應拋物線沿對稱軸旋轉(zhuǎn)360°形成的。拋物面有一種特性，即光源或其他能源如果置于拋物面焦點，其輻射能量經(jīng)拋物面反射將與對稱軸平行射出［5］。

3.2 剛性圓球面的散射聲場

當聲波遇到一剛性圓球時，該球體對聲波產(chǎn)生散射作用，空間中除了原來的入射波外，還會疊加向四周散射的散射波［6］。當球面半徑R很大時，散射波的一半將集中于入射波方向，而另一半則比較均勻地散布到其他方向。當聲波的頻率很低以致其波長比圓球半徑大很多時，圓球的存在對入射波的傳播并不產(chǎn)生大的影響，大部分入射聲波可以繞過圓球向前傳播。

3.3 聲反射器尺寸設(shè)計介紹

本文設(shè)計的聲反射器由拋物線AB 和半徑弧線P2A 結(jié)合后沿軸線F 旋轉(zhuǎn)360°形成。如圖3 所示，半球面的頂點P2需高于單元折環(huán)的高度，一般取音圈向外位移的最大行程。本文反射器頂尖取R=5 mm，按20 kHz 聲波的波長計算，R小于17 mm時滿足聲波繞射條件。P1B 拋物線B 點由單元錐盆外徑?jīng)Q定。單元置于焦點F 處，輻射聲波經(jīng)過聲反射器的反射，在水平方向得到一個寬闊均勻聲場，同時垂直方向的指向性也能得到一定角度的控制。

本文產(chǎn)品底面出聲高度空間只有7 mm。2 只全頻單元正下方的聲反射器由拋物面體和半球面結(jié)合而成。實驗表明，反射空間高度狹小，揚聲器與反射器之間會產(chǎn)生較多的高階反射，無法完整反射出中高頻聲波。

如圖4 所示，B 線是用拋物線旋轉(zhuǎn)成的反射器，在3 kHz 以上嚴重衰減；A 線是拋物線+球面的反射，高頻響上限可達15 kHz。

4 分頻點的選擇及最終的箱體頻響

本產(chǎn)品在功放前級實現(xiàn)二階電子分頻。單元的功率儲量會對分頻點的選擇產(chǎn)生影響，同時盡量避免將分頻點設(shè)在人耳最敏感的1～3 kHz，否則易產(chǎn)生聲源分開的聽覺效果。最終整機調(diào)音確認的整機頻響曲線，如圖5 所示。中低音單元在9 kHz 開始滾降，而高音單元f0約在2 kHz，分頻點選擇在5 kHz，高于高音單元f0一個倍頻程較合適。

5 結(jié)語

綜上所述，可以得到以下結(jié)論：智能音箱的AEC 算法對聲系統(tǒng)的失真要求較高，需考慮多方面非線性失真問題；智能音箱的箱體抗振設(shè)計將直接影響產(chǎn)品的遠場語音識別率；聲反射器采用半球頂面加拋物線面，具有更好的聲反射高頻帶寬；當聲系統(tǒng)頻響帶寬受限于外觀結(jié)構(gòu)時，可考慮增加單元來增強聲壓級，擴展頻響帶寬。此外，智能音箱的聲系統(tǒng)設(shè)計還涉及麥克風、功放等方面的設(shè)計要求，這些都會影響用戶的交互體驗。例如，功放功率加大時，麥克風接收的聲壓級超過130 dB 會飽和不工作，且容易超過AEC 消噪幅值。因此，此問題有待進一步研究。