陳炳佐

（深圳魔耳智能聲學(xué)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(yǔ)音識(shí)別的ECHO 智能音箱以來(lái)，智能音箱開(kāi)啟了智能語(yǔ)音生態(tài)系統(tǒng)重要入口，成為智能家居的聲控中心和實(shí)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(chǎng)需求趨勢(shì)越來(lái)越明顯。此外，語(yǔ)音識(shí)別麥克風(fēng)陳列模組距離驅(qū)動(dòng)單元越來(lái)越近，其AEC（聲學(xué)回聲消除）算法目前只能消除單元振動(dòng)近距離聲壓級(jí)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(gè)問(wèn)題：一是整機(jī)抖動(dòng)大，影響遠(yuǎn)揚(yáng)麥克風(fēng)的錄音數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度，造成遠(yuǎn)揚(yáng)語(yǔ)音識(shí)別率嚴(yán)重下降；二是語(yǔ)音識(shí)別麥克風(fēng)陣列模組背后的振動(dòng)噪音加大，麥克風(fēng)的錄音數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度下降，造成遠(yuǎn)揚(yáng)語(yǔ)音喚醒率嚴(yán)重下降。另外，智能音箱實(shí)際應(yīng)用環(huán)境是在遠(yuǎn)揚(yáng)條件下追求均勻聲場(chǎng)。本文以工作實(shí)例為基礎(chǔ)，研究智能音箱的揚(yáng)聲器系統(tǒng)如何降低整機(jī)的振動(dòng)和非線性失真問(wèn)題。

1 揚(yáng)聲器系統(tǒng)設(shè)計(jì)

客戶對(duì)產(chǎn)品音質(zhì)方面的要求主要涉及3 個(gè)方面：一是保證產(chǎn)品外觀不變動(dòng)，只允許底部和底部側(cè)面開(kāi)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(shí)干凈；三是總功率為8～10 W。

1.1 揚(yáng)聲器尺寸的選擇

揚(yáng)聲器輻射的聲功率同紙盆的振動(dòng)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(huì)減少懸掛系統(tǒng)在低頻時(shí)的軸向移動(dòng)，同時(shí)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(shí)增加，否則會(huì)降低揚(yáng)聲器的效率［1］。因此，揚(yáng)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(yáng)聲器的等效容積Vas與順性Cms、面積成正比，即：

此外，當(dāng)單元直徑加大時(shí)，Vas也會(huì)加大［2］。根據(jù)本產(chǎn)品內(nèi)部空間尺寸，可用最大標(biāo)準(zhǔn)揚(yáng)聲器的尺寸約為47 mm×47 mm。

1.2 揚(yáng)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(jí)會(huì)嚴(yán)重衰減，故可復(fù)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(shuō)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(qiáng)級(jí)進(jìn)行對(duì)比，以分貝計(jì)算的產(chǎn)品中低音聲強(qiáng)級(jí)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(yīng)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(shí)保證較高的聲壓級(jí)，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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，同規(guī)格的單元在偏軸30°時(shí)，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(diǎn)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(dòng)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(wú)法達(dá)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(jiàn)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(jì)

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(jì)為283 mL，外形如圖2 所示。

當(dāng)前，大部分智能音箱因外觀因素，它的麥克風(fēng)單體與外殼存在接觸裝配。任何箱體振動(dòng)都會(huì)通過(guò)外殼體或空間輻射傳導(dǎo)到麥克風(fēng)或麥克風(fēng)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(dú)立的箱體與外殼隔開(kāi)一定的間隙。通常，各語(yǔ)音算法公司的推薦值在1～3 mm。

2.1 箱體的減振設(shè)計(jì)

本產(chǎn)品的減振設(shè)計(jì)方案如圖2 所示，采用8 個(gè)硅膠柱套與上下殼膠柱裝配，通過(guò)減小與殼體接觸面積的方式實(shí)現(xiàn)減振。

2.2 無(wú)源輻射器減振應(yīng)用及設(shè)計(jì)

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

本產(chǎn)品無(wú)源輻射器除了具有減振作用，還可以有效展寬低音頻域。實(shí)質(zhì)上，無(wú)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(fù)載，減小低音單元的位移，達(dá)到在低頻振動(dòng)時(shí)減小非線性失真的目的。

無(wú)源輻射器與開(kāi)口箱具有相同的Q值。Vance Dickason 指出，無(wú)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?yàn)檩^高Qts單元產(chǎn)生的幅頻響應(yīng)將有很大的響應(yīng)波紋［4］。

為了獲得無(wú)源輻射器較大的位移空氣體積，得到較低的低頻響應(yīng)，無(wú)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(jì)算，有：

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

無(wú)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(wú)源輻射器折環(huán)大位移時(shí)出現(xiàn)褶皺失穩(wěn)造成非線性失真問(wèn)題，無(wú)源輻射器在折環(huán)上增加凸加強(qiáng)。

2.3 箱體內(nèi)的填充物

由于箱體形狀狹長(zhǎng)，除了內(nèi)壁增加多處加強(qiáng)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(yán)重的染色問(wèn)題，同時(shí)會(huì)稍增大箱體的聲順性［2］。

3 聲反射器的設(shè)計(jì)

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

3.1 拋物面體

拋物面體是由對(duì)應(yīng)拋物線沿對(duì)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(diǎn)，其輻射能量經(jīng)拋物面反射將與對(duì)稱軸平行射出［5］。

3.2 剛性圓球面的散射聲場(chǎng)

當(dāng)聲波遇到一剛性圓球時(shí)，該球體對(duì)聲波產(chǎn)生散射作用，空間中除了原來(lái)的入射波外，還會(huì)疊加向四周散射的散射波［6］。當(dāng)球面半徑R很大時(shí)，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(dāng)聲波的頻率很低以致其波長(zhǎng)比圓球半徑大很多時(shí)，圓球的存在對(duì)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(guò)圓球向前傳播。

3.3 聲反射器尺寸設(shè)計(jì)介紹

本文設(shè)計(jì)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(diǎn)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(zhǎng)計(jì)算，R小于17 mm時(shí)滿足聲波繞射條件。P1B 拋物線B 點(diǎn)由單元錐盆外徑?jīng)Q定。單元置于焦點(diǎn)F 處，輻射聲波經(jīng)過(guò)聲反射器的反射，在水平方向得到一個(gè)寬闊均勻聲場(chǎng)，同時(shí)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(shí)驗(yàn)表明，反射空間高度狹小，揚(yáng)聲器與反射器之間會(huì)產(chǎn)生較多的高階反射，無(wú)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(yán)重衰減；A 線是拋物線+球面的反射，高頻響上限可達(dá)15 kHz。

4 分頻點(diǎn)的選擇及最終的箱體頻響

本產(chǎn)品在功放前級(jí)實(shí)現(xiàn)二階電子分頻。單元的功率儲(chǔ)量會(huì)對(duì)分頻點(diǎn)的選擇產(chǎn)生影響，同時(shí)盡量避免將分頻點(diǎn)設(shè)在人耳最敏感的1～3 kHz，否則易產(chǎn)生聲源分開(kāi)的聽(tīng)覺(jué)效果。最終整機(jī)調(diào)音確認(rèn)的整機(jī)頻響曲線，如圖5 所示。中低音單元在9 kHz 開(kāi)始滾降，而高音單元f0約在2 kHz，分頻點(diǎn)選擇在5 kHz，高于高音單元f0一個(gè)倍頻程較合適。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，可以得到以下結(jié)論：智能音箱的AEC 算法對(duì)聲系統(tǒng)的失真要求較高，需考慮多方面非線性失真問(wèn)題；智能音箱的箱體抗振設(shè)計(jì)將直接影響產(chǎn)品的遠(yuǎn)場(chǎng)語(yǔ)音識(shí)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(dāng)聲系統(tǒng)頻響帶寬受限于外觀結(jié)構(gòu)時(shí)，可考慮增加單元來(lái)增強(qiáng)聲壓級(jí)，擴(kuò)展頻響帶寬。此外，智能音箱的聲系統(tǒng)設(shè)計(jì)還涉及麥克風(fēng)、功放等方面的設(shè)計(jì)要求，這些都會(huì)影響用戶的交互體驗(yàn)。例如，功放功率加大時(shí)，麥克風(fēng)接收的聲壓級(jí)超過(guò)130 dB 會(huì)飽和不工作，且容易超過(guò)AEC 消噪幅值。因此，此問(wèn)題有待進(jìn)一步研究。