芻議智能音箱的揚聲器設計

羅里剛

（四川長虹網絡科技有限責任公司 綿陽 621000）

前言

智能音箱現已成為人們日常生活中十分常見的物品，智能音箱的應用改變了人們的收聽方式和收聽體驗。揚聲器在智能音箱中占據著重要位置，揚聲器的品質和功能對音箱的性能具有顯著影響。因此，有必要高度關注智能音箱的揚聲器設計。

1 音箱揚聲器智能技術概述

智能音箱是科學技術發展中的重要衍生品，是人們在互聯網上實現語音通信必不可少的工具，如在網上查詢天氣預報和在網上點歌。同時，該技術產品也可控制智能設備，冰箱的溫度提示和窗簾開關便是其中的典型代表。智能音箱可為人們提供遠程對話服務，解決人們日常生活中的困擾。另外，音箱揚聲器智能技術可有效減少甚至消除揚聲器自帶的雜音，語音交互功能相對完善。在音箱揚聲器設計時智能技術的應用滿足時代發展要求，可為人們的日常生活提供優質服務。

2 智能音箱揚聲器設計的必要性

當前，智能音箱得以廣泛應用，人們也十分喜愛智能產品，這激發了人們對智能、語音交換和低失真音箱的需求。音箱音質的重要判斷指標之一是揚聲器的質量。智能音箱的設計人員要按照規范要求控制揚聲器的失真條件、功率、磁路要求和部件質量，以此確保智能音箱揚聲器的品質符合人們使用需求，優化電子產品的設計品質。

3 智能音箱的揚聲器設計分析

音箱在確保不失真的情況下，隨著功率的不斷加大，將會出現以下問題：一是音箱設備運行中，整體會出現較大的抖動現象，影響到遠揚麥克風的應用效果，導致錄音數據精準性降低，識別功能無法有效發揮；二是語音識別麥克風陣列模組背后會存在振動噪音，麥克風無法在第一時間內進行聲音收集和處理，降低了音質及數據接收的準確性，進而影響了音箱遠程喚醒的效果。另外，智能音箱在應用過程中，要求在遠揚條件下保持均勻聲揚。為達到這一目標，解決上述問題，下文將根據現有實例展開分析，對智能音箱揚聲器中存在的振動問題及非線性失真問題實行分析探討，并給出相應的改善方案。

3.1 揚聲器系統設計

客戶對產品音質有較高要求，在產品外觀不發生明顯變化的情況下，只允許在音箱的底部或底部側面開孔，可發音，后經過與客戶的多次討論，客戶允許在產品頂面右側空調網的下方設置高音單元。高頻聲音清晰，不刺耳，低音厚實、干凈，總功率保持在8～10 W的范圍內。

3.1.1 揚聲器尺寸的選擇

揚聲器敷設的聲音功率與紙盆振動速度、輻射阻抗有效電阻成反比關系，擴大紙盆的表面積可顯著控制懸掛系統在低頻狀態下軸向的移動，也可減輕非線性失真問題。但是要確保紙盆質量與輻射面積的同時提升，以確保揚聲器的效果。所以，揚聲器的外徑尺寸與其所承受的功率成正比。低頻特性優良，揚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。結合本產品的空間尺寸，揚聲器最大尺寸應為47 mm×47 mm。

3.1.2 揚聲器并接特性

由于產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，將其用在系統的中低音頻域之中。利用相同規格的2只單元并接與原單只單元的聲強級進行仔細比對，在產品低音聲強級的變化計算時，運用分貝進行計算，可表示為：

并接的單元位移有所減小后可有效控制系統低頻響應非線性失真。

3.1.3 音圈

為確保中低音系統的頻帶寬度，聲壓級別，產品單元需卷繞在直徑為20 mm的Kapton骨架上，包裹銅包鋁線。研究數據證明，在偏軸30 °位置，相同規格的單元4層線音圈在頻響超過1kHz以上時，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+副磁的磁路結構，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

由于產品外觀結構的限制，產品底部的頻響范圍無法滿足規定要求，對高頻清晰度產生了較大影響。產品的右上角空調網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 內部箱體設計

依據選用的單元T/S參數，明確箱體的最大設計容積。諸多智能音箱的麥克風單體和外殼部分安裝了接觸裝置，經外殼體或空間輻射傳導，箱體震動可直接傳到麥克風或麥克風陣列膜組PCBA。現階段，采取先進的減振手段能夠承載中低音及全頻響功率的音箱，獨立的箱體與外殼的距離必須滿足規定要求。當前普遍接受的推薦值為1～5 mm。

3.2.1 箱體的減振設計

該產品減震設計中主要采用8個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 無源輻射器減振應用及設計

為減輕中低頻響產生的箱體振動，需在產品2只單元側面位置安裝平板型無源輻射器，且二者需對稱安裝。產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，這樣也能夠擴大低音頻域，無源輻射器和單元運行的過程中均處于低頻區，低音單元的聲負載能夠嚴格控制低音單元位移，防止低頻振動環境中可能出現的非線性失真問題。

無源輻射器能夠獲取較大的位移空氣體積，同時也可實現低頻響應。無源輻射器的有效面積通常是單元有效面積的1～2倍。該產品當中低音系統單元尺寸取47 mm×47 mm，其有效面積應取1/3的折環內寬度,進而得出面積。另外，結合中低音箱體側面尺寸，兩側無源輻射器的最大有效面積也可得到精準數值。無源輻射器選用具有優良阻尼特性的SBR，中間鐵片的厚度控制為0.5 mm，以此為工業學院配重校正提供便利條件。為規避無源輻射器折環大位移過程中出現嚴重的褶皺和失穩問題，進而引發非線性失真，無源輻射器需在折環上設置凸加強。

3.2.3 箱體內的填充物

箱體形狀較長，需在內壁位置增設加強筋，同時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部反射所引發的染色問題，也可優化箱體的聲順性。

3.3 聲反射器的設計

智能音箱廣泛應用于遠場場景，需在3～5 m的半徑內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。受產品外觀的影響，無法在中低頻區滿足全方位的聲擴散。為此，提出在底部出音空間中的每一只揚聲器上均設置錐形反射器，從而擴大聲擴散的范圍。

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，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 聲反射器尺寸設計

聲反射器半球面定點的高度需高于單元折環的高度，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值可全方位順應規定要求。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，也可嚴格控制垂直方向上的指向性。產品底面的出聲高度較小，只有7 mm。拋物面體及半球面結合后可形成聲反射器，反射的空間較小，揚聲器與反射器能夠形成科學的高階反射，對高頻聲波反射的質量及完整性也產生了較為顯著的影響。

3.4 分頻點的選擇及最終的箱體頻響

該產品功放前級可落實二階電子分頻。單元功率儲量直接影響了分頻點選擇。盡可能不要將分頻點設于1～3 kHz，以改善聲源分聽的效果，合理調整機調音，明確整機頻響曲線。

本產品在公放前實現二階電子分頻處理，由于單元功率的儲量會對分頻點選擇帶來一定的影響，所以在設計中，要做到科學管控，關于分頻點的設置，盡量避開人耳最為敏感的1～3 kHz，以免在生源收聽過程中，出現分離現象，影響智能音箱使用性能。另外，注重整機調音處理，對頻響曲線進行科學規劃。一般情況下，中低音單元會在9 kHz左右進行滾降，高音單元f0約在2 kHz，分頻點可控制在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聲器的設計體會

智能模式下，音箱揚聲器的設計是在新科技發展潮流的推動下開展的重要活動，其提供了智能音箱人機交互服務，通過創新語言的應用提高智能音箱技能水平，滿足不同用戶的需求，加強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，同普通音箱設備相比，智能音箱揚聲器的科學規劃和設計，可在原有功能基礎上展開進一步優化和調整，提升智能音箱的專業效果。經過專業分析可知，智能模式下音箱揚聲器設計打破了傳統技術的束縛，將互聯網技術很好地融入其中，為智能音箱的進一步發展奠定堅實的基礎。開展智能模式下音箱揚聲器的設計，緊跟時代潮流，以滿足不同人群生活所需，提高生活質量。同時也為智能音箱市場變革及發展提供強大推動力。

智能音箱是新時代發展的必然產物，在設計過程中，揚聲器作為較為重要的硬件結構，需要開展單元構件、失真設計、磁路優化等多方面工作，加大分析和研究力度，根據現有技術優勢，不斷完善揚聲器品質功能，增大智能音箱的使用率，體現市場價值優勢。另外，在設計過程中，智能音箱中還應做好芯片的有效融合，加強智能型和自動化控制，保證智能模式下音箱揚聲器的快速識別和開啟，發揮智能音箱的功能作用，嚴格把控相關工作。

5 結語

智能音箱中揚聲器的品質尤為重要，因此，智能音箱揚聲器設計得到了人們的高度關注。為保證智能音箱中揚聲器設計效果，就應結合實際，采取切實可行的專業技術，改善音箱品質，從而為大眾打造更加理想的聽覺感受，推動智能音箱的發展。