刍议智能音箱的扬声器设计

刍议智能音箱的扬声器设计

林盛堂

身份证号码： 45052119891225 ****

摘要：近年来，我国的科学技术水平不断进步。当前，在音箱扬声器设计中也融入了智能技术，此技术下的音箱扬声器失真较低，不会影响声音的质感，并能够为人们带来很微妙的听感。基于此，本文以智能音箱扬声器设计为研究内容，对音箱扬声器智能技术、音箱扬声器设计模式以及智能模式下音箱扬声器的设计体会等相关内容进行分析与论述，从而让更多的人能够深入了解智能模式音箱扬声器的设计。

关键词：智能音箱；扬声器；设计模式

引言

自2014年亚马逊发布首款具有语音识别的ECHO智能音箱以来，智能音箱开启了智能语音生态系统重要入口，成为智能家居的声控中心和实际载体。智能音箱功率由几瓦发展到100W以上，体积向小型化发展的市场需求趋势越来越明显。此外，语音识别麦克风陈列模组距离驱动单元越来越近，其AEC（声学回声消除）算法目前只能消除单元振动近距离声压级的-20～-30dB。音箱在保证低失真率的前提下，在功率加大后存在两个问题：一是整机抖动大，影响远扬麦克风的录音数据准确度，造成远扬语音识别率严重下降；二是语音识别麦克风阵列模组背后的振动噪音加大，麦克风的录音数据准确度下降，造成远扬语音唤醒率严重下降。另外，智能音箱实际应用环境是在远扬条件下追求均匀声场。本文以工作实例为基础，研究智能音箱的扬声器系统如何降低整机的振动和非线性失真问题。

1音箱扬声器智能技术概述

智能音箱是科学技术发展中的重要衍生品，是人们在互联网上实现语音通信必不可少的工具，如在网上查询天气预报和在网上点歌。同时，该技术产品也可控制智能设备，冰箱的温度提示和窗帘开关便是其中的典型代表。智能音箱可为人们提供远程对话服务，解决人们日常生活中的困扰。另外，音箱扬声器智能技术可有效减少甚至消除扬声器自带的杂音，语音交互功能相对完善。在音箱扬声器设计时智能技术的应用满足时代发展要求，可为人们的日常生活提供优质服务。

2智能音箱的扬声器设计

2.1音箱扬声器磁路优化

在本文研究设计过程当中，对铁氧体磁路以及NdFeB磁路进行模拟，以及相关数据对比，以进一步改善音箱扬声器失真。之后，对两种磁路B值曲线仿真进行数据形式的对比分析。在音箱扬声器磁路优化过程当中，结合两种磁路的音频得出：两个磁路的音频差异并不明显，但是相比而言，实际情况铁氧体磁路的音频效果较好些，磁路显得清晰，而且此磁路的音箱扬声器失真较小，所呈现出的整体效果是相对较好的。但是，铁氧体磁路存在一个问题，就是其高频并不是十分明亮。对此，可在磁路中增加一些短路环设计，以降低磁路之间的互感，提升声音的品质以及播放效果。铁氧体磁路的数据值与NdFeB磁路数据相比略显低频，但二者之间并无过多的明显差距。对此，关于音箱扬声器的磁路优化方式，可通过曲线的调节，实现音箱扬声器的最佳失真效果。

2.2无源辐射器减振应用及设计

为减少中低频响造成箱体振动，产品在2只单元侧面面对面地对称安装平板型无源辐射器。原理是2个无源辐射器反向位移振动作用在箱体内部使空气振动，从而使部分声能抵消，减小箱体壳体振动。本产品无源辐射器除了具有减振作用，还可以有效展宽低音频域。实质上，无源辐射器与单元共同在低频区工作，作为低音单元的声负载，减小低音单元的位移，达到在低频振动时减小非线性失真的目的。无源辐射器与开口箱具有相同的Q值。VanceDickason指出，无源辐射器箱的校正基本上限定在QB3、B4和C4类型，单元的Qts大于0.5不采用。因为较高Qts单元产生的幅频响应将有很大的响应波纹。为了获得无源辐射器较大的位移空气体积，得到较低的低频响应，无源辐射器的有效面积需为单元有效面积的1～2倍。本产品中低音系统的单元尺寸为47mm×47mm，有效面积按折环内1/3宽度计算，有：Sp=3.14×17×17=907.46mm²（3）根据中低音箱体的侧面尺寸，两侧的无源辐射器最大有效面积为1310.46mm²。无源辐射器材料选用阻尼特性较好的SBR，中间铁片先选用较薄的0.5mm厚度，方便后续配重校正。为防止无源辐射器折环大位移时出现褶皱失稳造成非线性失真问题，无源辐射器在折环上增加凸加强。

2.3内部箱体设计

依据选用的单元T/S参数，明确箱体的最大设计容积。诸多智能音箱的麦克风单体和外壳部分安装了接触装置，经外壳体或空间辐射传导，箱体震动可直接传到麦克风或麦克风阵列膜组PCBA。现阶段，采取先进的减振手段能够承载中低音及全频响功率的音箱，独立的箱体与外壳的距离必须满足规定要求。当前普遍接受的推荐值为1～5mm。

2.3.1箱体的减振设计

该产品减震设计中主要采用8个硅胶柱套与上下壳胶柱装配，采取有效措施减小与壳体的接触面积，从而起到减振作用。

2.3.2无源辐射器减振应用及设计

为减轻中低频响产生的箱体振动，需在产品2只单元侧面位置安装平板型无源辐射器，且二者需对称安装。产生空气振动后能够吸收部分音能，有效抑制箱体与壳体的振动，这样也能够扩大低音频域，无源辐射器和单元运行的过程中均处于低频区，低音单元的声负载能够严格控制低音单元位移，防止低频振动环境中可能出现的非线性失真问题。无源辐射器能够获取较大的位移空气体积，同时也可实现低频响应。无源辐射器的有效面积通常是单元有效面积的1～2倍。该产品当中低音系统单元尺寸取47mm×47mm，其有效面积应取1/3的折环内宽度,进而得出面积。另外，结合中低音箱体侧面尺寸，两侧无源辐射器的最大有效面积也可得到精准数值。无源辐射器选用具有优良阻尼特性的SBR，中间铁片的厚度控制为0.5mm，以此为工业学院配重校正提供便利条件。为规避无源辐射器折环大位移过程中出现严重的褶皱和失稳问题，进而引发非线性失真，无源辐射器需在折环上设置凸加强。

2.3.3箱体内的填充物

箱体形状较长，需在内壁位置增设加强筋，同时在单只单元背后投放一块PET吸音棉，吸音棉能够控制箱体内部反射所引发的染色问题，也可优化箱体的声顺性。

结语

综上所述，可以得到以下结论：智能音箱的AEC算法对声系统的失真要求较高，需考虑多方面非线性失真问题；智能音箱的箱体抗振设计将直接影响产品的远场语音识别率；声反射器采用半球顶面加抛物线面，具有更好的声反射高频带宽；当声系统频响带宽受限于外观结构时，可考虑增加单元来增强声压级，扩展频响带宽。此外，智能音箱的声系统设计还涉及麦克风、功放等方面的设计要求，这些都会影响用户的交互体验。例如，功放功率加大时，麦克风接收的声压级超过130dB会饱和不工作，且容易超过AEC消噪幅值。因此，此问题有待进一步研究。

参考文献

[1]熊勇军.智能模式下的音箱扬声器相关设计[J].电声技术，2018，42(10):46-50.

[2]吴奇.向下辐射音箱的扩散锥仿真设计[J].电声技术，2017，12（25）：302-304.

[3]管善群.电声技术基础［M］.北京：人民邮电出版社，1982.

[4]俞锦元.扬声器设计与制作［M］.广州：广东科技出版社，2007.

[5]李莹,毛浩地,等.智能音箱产品及技术研究进展[J].信息与电脑,2019,(4):144-145+150.