刍议智能音箱的扬声器设计

罗里刚

（四川长虹网络科技有限责任公司 绵阳 621000）

前言

智能音箱现已成为人们日常生活中十分常见的物品，智能音箱的应用改变了人们的收听方式和收听体验。扬声器在智能音箱中占据着重要位置，扬声器的品质和功能对音箱的性能具有显著影响。因此，有必要高度关注智能音箱的扬声器设计。

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 智能音箱扬声器设计的必要性

当前，智能音箱得以广泛应用，人们也十分喜爱智能产品，这激发了人们对智能、语音交换和低失真音箱的需求。音箱音质的重要判断指标之一是扬声器的质量。智能音箱的设计人员要按照规范要求控制扬声器的失真条件、功率、磁路要求和部件质量，以此确保智能音箱扬声器的品质符合人们使用需求，优化电子产品的设计品质。

3 智能音箱的扬声器设计分析

音箱在确保不失真的情况下，随着功率的不断加大，将会出现以下问题：一是音箱设备运行中，整体会出现较大的抖动现象，影响到远扬麦克风的应用效果，导致录音数据精准性降低，识别功能无法有效发挥；二是语音识别麦克风阵列模组背后会存在振动噪音，麦克风无法在第一时间内进行声音收集和处理，降低了音质及数据接收的准确性，进而影响了音箱远程唤醒的效果。另外，智能音箱在应用过程中，要求在远扬条件下保持均匀声扬。为达到这一目标，解决上述问题，下文将根据现有实例展开分析，对智能音箱扬声器中存在的振动问题及非线性失真问题实行分析探讨，并给出相应的改善方案。

3.1 扬声器系统设计

客户对产品音质有较高要求，在产品外观不发生明显变化的情况下，只允许在音箱的底部或底部侧面开孔，可发音，后经过与客户的多次讨论，客户允许在产品顶面右侧空调网的下方设置高音单元。高频声音清晰，不刺耳，低音厚实、干净，总功率保持在8～10 W的范围内。

3.1.1 扬声器尺寸的选择

扬声器敷设的声音功率与纸盆振动速度、辐射阻抗有效电阻成反比关系，扩大纸盆的表面积可显著控制悬挂系统在低频状态下轴向的移动，也可减轻非线性失真问题。但是要确保纸盆质量与辐射面积的同时提升，以确保扬声器的效果。所以，扬声器的外径尺寸与其所承受的功率成正比。低频特性优良，扬声器的等效容积与顺兴、面积成正比，即：

等位容积与单元直径成正相关。结合本产品的空间尺寸，扬声器最大尺寸应为47 mm×47 mm。

3.1.2 扬声器并接特性

由于产品底部向外辐射的空间不大，中高频响声压级会随之衰减，因此可选用两只8 Ω、3 W的全频单元并接，将其用在系统的中低音频域之中。利用相同规格的2只单元并接与原单只单元的声强级进行仔细比对，在产品低音声强级的变化计算时，运用分贝进行计算，可表示为：

并接的单元位移有所减小后可有效控制系统低频响应非线性失真。

3.1.3 音圈

为确保中低音系统的频带宽度，声压级别，产品单元需卷绕在直径为20 mm的Kapton骨架上，包裹铜包铝线。研究数据证明，在偏轴30 °位置，相同规格的单元4层线音圈在频响超过1kHz以上时，其衰减明显大于2层线音圈。

3.1.4 振膜和磁体

基于单元中低频宽，产品单元需选择凹面纸盆振膜+凸防尘帽，其中低频的辐射效率较为理想。采用主磁+副磁的磁路结构，提高单元的灵敏度，有效控制低频振动谐波失真问题。

3.1.5 增加高音单元

由于产品外观结构的限制，产品底部的频响范围无法满足规定要求，对高频清晰度产生了较大影响。产品的右上角空调网下方位置需安装一只33 mm、4 Ω、3 W的丝膜球顶高音单元，其向上辐射，可获得较好的360 °高频域指向性。

3.2 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1～5 mm。

3.2.1 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。

3.2.2 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47 mm×47 mm，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0.5 mm，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。

3.2.3 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。

3.3 声反射器的设计

智能音箱广泛应用于远场场景，需在3～5 m的半径内获取相似的听觉感受，所以需利用锥形反射器于水平360 °的方向形成均匀声场。受产品外观的影响，无法在中低频区满足全方位的声扩散。为此，提出在底部出音空间中的每一只扬声器上均设置锥形反射器，从而扩大声扩散的范围。

3.3.1 抛物面体

抛物面体是其所在抛物线沿对称轴旋转360 °后形成的面，抛物面光源或其它能源主要集中于抛物面焦点，辐射能源可由抛物面反射与对称轴平行。

3.3.2 刚性圆球面的散射声场

若声波与刚性圆球相遇，球体对声波具有较强的散射作用，空间中具有原入射波和向四方散射的散射波，如球面半径较大，5成散射波会集中在入射波的方向上，另外5成则会均匀地分布于其他方向。若声波频率较低，波长远大于圆球半径，圆球不会影响入射波的传播，入射波可绕过与圆球向前传播。

3.3.3 声反射器尺寸设计

声反射器半球面定点的高度需高于单元折环的高度，其以音圈向外位移最大行程为最终的高度取值。本文反射器顶部的R值可全方位顺应规定要求。辐射声波在反射器的作用下，可在水平方向上获取较为均匀且宽阔的声场，也可严格控制垂直方向上的指向性。产品底面的出声高度较小，只有7 mm。抛物面体及半球面结合后可形成声反射器，反射的空间较小，扬声器与反射器能够形成科学的高阶反射，对高频声波反射的质量及完整性也产生了较为显著的影响。

3.4 分频点的选择及最终的箱体频响

该产品功放前级可落实二阶电子分频。单元功率储量直接影响了分频点选择。尽可能不要将分频点设于1～3 kHz，以改善声源分听的效果，合理调整机调音，明确整机频响曲线。

本产品在公放前实现二阶电子分频处理，由于单元功率的储量会对分频点选择带来一定的影响，所以在设计中，要做到科学管控，关于分频点的设置，尽量避开人耳最为敏感的1～3 kHz，以免在生源收听过程中，出现分离现象，影响智能音箱使用性能。另外，注重整机调音处理，对频响曲线进行科学规划。一般情况下，中低音单元会在9 kHz左右进行滚降，高音单元f0约在2 kHz，分频点可控制在5 kHz左右，较高音单元f0一倍频程较合适。

4 基于智能模式下音箱扬声器的设计体会

智能模式下，音箱扬声器的设计是在新科技发展潮流的推动下开展的重要活动，其提供了智能音箱人机交互服务，通过创新语言的应用提高智能音箱技能水平，满足不同用户的需求，加强智能音箱使用的便利性、可靠性，为人们生活带来更多便利。再者，同普通音箱设备相比，智能音箱扬声器的科学规划和设计，可在原有功能基础上展开进一步优化和调整，提升智能音箱的专业效果。经过专业分析可知，智能模式下音箱扬声器设计打破了传统技术的束缚，将互联网技术很好地融入其中，为智能音箱的进一步发展奠定坚实的基础。开展智能模式下音箱扬声器的设计，紧跟时代潮流，以满足不同人群生活所需，提高生活质量。同时也为智能音箱市场变革及发展提供强大推动力。

智能音箱是新时代发展的必然产物，在设计过程中，扬声器作为较为重要的硬件结构，需要开展单元构件、失真设计、磁路优化等多方面工作，加大分析和研究力度，根据现有技术优势，不断完善扬声器品质功能，增大智能音箱的使用率，体现市场价值优势。另外，在设计过程中，智能音箱中还应做好芯片的有效融合，加强智能型和自动化控制，保证智能模式下音箱扬声器的快速识别和开启，发挥智能音箱的功能作用，严格把控相关工作。

5 结语

智能音箱中扬声器的品质尤为重要，因此，智能音箱扬声器设计得到了人们的高度关注。为保证智能音箱中扬声器设计效果，就应结合实际，采取切实可行的专业技术，改善音箱品质，从而为大众打造更加理想的听觉感受，推动智能音箱的发展。