超聲波驅(qū)動(dòng)的MEMS揚(yáng)聲器實(shí)現(xiàn)可穿戴設(shè)備全頻音頻

人們很容易忽略一個(gè)事實(shí)：你的智能手表里藏著一枚微型揚(yáng)聲器——更不用說(shuō)智能眼鏡中也同樣配備了。隨著我們逐步進(jìn)入人工智能助手“隨時(shí)在線”的時(shí)代，眼鏡和手表正逐漸成為耳塞之外的重要替代方案，實(shí)現(xiàn)真正的免耳、免手持式AI交互。

然而，當(dāng)前最先進(jìn)的智能眼鏡和手表在外觀設(shè)計(jì)、輕薄程度和重量方面仍難以媲美傳統(tǒng)眼鏡與腕表，這將在很大程度上限制其廣泛普及。其中，一個(gè)關(guān)鍵制約因素在于：如今智能設(shè)備中的“微型”揚(yáng)聲器必須適應(yīng)產(chǎn)品的重量、造型與外形尺寸——而這并非易事。

傳統(tǒng)上，揚(yáng)聲器需要一定的空間(哪怕只是微小間隙)才能發(fā)出超越蜂鳴提示音的可聽聲音。在微型化層面，現(xiàn)有揚(yáng)聲器幾乎已逼近物理極限，嚴(yán)重制約了產(chǎn)品設(shè)計(jì)自由度與功能集成。許多智能眼鏡采用類似“飛行員”或“旅行者”風(fēng)格的厚重鏡框，并非出于美學(xué)偏好，而是為了容納當(dāng)前的微型揚(yáng)聲器及其他電子元件。

但這一局面有望因新型超小型、超輕量、全硅結(jié)構(gòu)的MEMS揚(yáng)聲器而改變。要將這類更緊湊的揚(yáng)聲器推向消費(fèi)市場(chǎng)并應(yīng)用于更多類型的智能設(shè)備，就必須重新思考微型揚(yáng)聲器的工作原理。

線圈是瓶頸

迄今為止，在智能手表、智能眼鏡、AR頭顯等新興電子設(shè)備中集成高品質(zhì)音頻系統(tǒng)的主要挑戰(zhàn)，是如何兼顧設(shè)備的時(shí)尚外觀與高性能聲學(xué)表現(xiàn)。更大的矛盾在于：音質(zhì)出色的揚(yáng)聲器往往帶來(lái)額外體積。

目前大多數(shù)微型揚(yáng)聲器仍基于百年歷史的動(dòng)圈式驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，依賴線圈與磁體工作。要將其壓縮至適配新一代手表或眼鏡的厚度(約3毫米)，必須在性能上做出顯著妥協(xié)——尤其是音質(zhì)方面。即便如此，這種3毫米厚的微型揚(yáng)聲器依然限制了工業(yè)設(shè)計(jì)的靈活性。

真正理想的選擇，是一種在技術(shù)允許范圍內(nèi)盡可能小巧，同時(shí)仍能提供豐富、自然音效的微型揚(yáng)聲器——一種不受傳統(tǒng)線圈與磁體尺寸和重量束縛的解決方案。具體而言，就是一種可在高產(chǎn)能晶圓代工廠以硅工藝大批量制造的MEMS揚(yáng)聲器。

盡管多年來(lái)多家廠商已推出MEMS揚(yáng)聲器原型，但僅有少數(shù)實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，大規(guī)模商用者更是寥寥無(wú)幾。多數(shù)MEMS揚(yáng)聲器仍采用傳統(tǒng)的“推空氣”活塞式換能機(jī)制，類似于傳統(tǒng)動(dòng)圈揚(yáng)聲器。但由于MEMS結(jié)構(gòu)的振膜位移遠(yuǎn)小于動(dòng)圈單元，導(dǎo)致其聲壓輸出能力受限。

因此，當(dāng)前絕大多數(shù)MEMS揚(yáng)聲器僅作為無(wú)線入耳耳機(jī)或智能眼鏡中的高頻“高音單元”使用，功能有限。對(duì)于眼鏡和手表這類需在開放空間中實(shí)現(xiàn)全頻段音頻輸出的應(yīng)用場(chǎng)景，大多數(shù)MEMS揚(yáng)聲器尚無(wú)法勝任。要實(shí)現(xiàn)在自由場(chǎng)環(huán)境下的高質(zhì)量全頻響應(yīng)，必須對(duì)音頻換能機(jī)制進(jìn)行根本性創(chuàng)新——擺脫對(duì)大位移機(jī)械運(yùn)動(dòng)的依賴。

這顯然并非易事。理想的MEMS揚(yáng)聲器必須足夠微小以便集成到任意產(chǎn)品中，同時(shí)又能產(chǎn)生足夠的聲壓，在設(shè)備與人耳之間的近場(chǎng)空氣中有效傳播聲音。目標(biāo)很明確：從最小的物理空間中釋放出“大音量”。唯有如此，制造商才能在設(shè)計(jì)時(shí)毫無(wú)顧慮地追求極致輕薄與美觀，因?yàn)槿l段高品質(zhì)音頻已成為默認(rèn)配置。

可利用超聲波發(fā)聲的固態(tài)微型揚(yáng)聲器

近期，領(lǐng)先的音頻工程師開發(fā)出一款厚度僅為1mm的開放式近場(chǎng)MEMS揚(yáng)聲器，它通過(guò)超聲波空氣脈沖產(chǎn)生聲音，而不是通過(guò)活塞式線圈和磁體結(jié)構(gòu)(如圖所示)。由于它是一種半導(dǎo)體MEMS揚(yáng)聲器，其作為微芯片的固有特性使其能夠增強(qiáng)隱私模式和通透模式等高級(jí)DSP功能，并實(shí)現(xiàn)優(yōu)于傳統(tǒng)線圈架構(gòu)的更佳、更一致的器件間性能。它所做的是，將原本人耳無(wú)法感知的超聲波脈沖轉(zhuǎn)化為全帶寬、高保真音頻。

圖：與現(xiàn)有的動(dòng)圈式驅(qū)動(dòng)單元相比，這款開放式MEMS揚(yáng)聲器的厚度僅為其三分之一，整體尺寸僅為其七分之一，非常適合日益增長(zhǎng)的輕薄型可穿戴設(shè)備。(來(lái)源：xMEMS)

與現(xiàn)有的動(dòng)圈式驅(qū)動(dòng)單元相比，這款開放式MEMS揚(yáng)聲器的厚度僅為其三分之一，整體尺寸僅為其七分之一，非常適合日益增長(zhǎng)的輕薄型可穿戴設(shè)備。由于其為固態(tài)結(jié)構(gòu)(無(wú)活動(dòng)部件)，該揚(yáng)聲器具備出色的耐用性，并達(dá)到IP58級(jí)防塵防水標(biāo)準(zhǔn)，完全滿足可穿戴電子產(chǎn)品的嚴(yán)苛使用環(huán)境要求。

該技術(shù)已在智能眼鏡、智能手表以及開放式無(wú)線耳機(jī)(OWS)等多種形態(tài)下完成測(cè)試，在高低頻段均實(shí)現(xiàn)了等于甚至優(yōu)于現(xiàn)有產(chǎn)品的聲壓級(jí)(SPL)，低音表現(xiàn)也顯著提升(在40Hz時(shí)聲壓級(jí)比主流OWS耳機(jī)高出11dB，在5kHz時(shí)高出約15dB)。

固態(tài)設(shè)計(jì)帶來(lái)了更快的瞬態(tài)響應(yīng)速度與近乎零相移特性，使得其輸出的全頻音頻更加清晰、細(xì)膩且精準(zhǔn)。極高的器件一致性還確保了左右聲道間的相位高度一致，有助于提升智能眼鏡與OWS耳機(jī)中的DSP功能效果——例如增強(qiáng)隱私模式，有效減少聲音外泄，保護(hù)用戶隱私。

固態(tài)MEMS揚(yáng)聲器的其他應(yīng)用場(chǎng)景

開放式固態(tài)MEMS揚(yáng)聲器還有更廣闊的應(yīng)用前景。在近場(chǎng)微型揚(yáng)聲器中實(shí)現(xiàn)強(qiáng)勁的高頻輸出一直是一項(xiàng)技術(shù)挑戰(zhàn)。得益于其在最高頻率下仍能輸出至少90dB聲壓的能力，該技術(shù)特別適合“高音單元”類應(yīng)用，例如用作智能手機(jī)中更小、更輕的聽筒揚(yáng)聲器。

我們認(rèn)為，能夠在開放空間而非封閉耳道內(nèi)工作的MEMS近場(chǎng)微型揚(yáng)聲器，是一項(xiàng)重大技術(shù)突破。它不僅解決了輕量化、可穿戴智能設(shè)備的聲學(xué)集成難題，更為電子產(chǎn)品制造商提供了前所未有的設(shè)計(jì)自由度——讓用戶在享受時(shí)尚外觀的同時(shí)，也能獲得高品質(zhì)的音頻體驗(yàn)。

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