智能音箱的扬声器系统设计案例

陈炳佐

（深圳魔耳智能声学科技有限公司，广东 深圳 518071）

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100 W 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～-30 dB。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 扬声器系统设计

客户对产品音质方面的要求主要涉及3 个方面：一是保证产品外观不变动，只允许底部和底部侧面开孔出音，后与客户再三讨论允许产品顶面右边空调网下方安装高音单元；二是高频清晰不刺耳，低音厚实干净；三是总功率为8～10 W。

1.1 扬声器尺寸的选择

扬声器辐射的声功率同纸盆的振动速度和辐射阻抗的有效电阻成比例。加大纸盆的表面面积会减少悬挂系统在低频时的轴向移动，同时减少非线性失真，但前提是纸盆表面的辐射面积和质量同时增加，否则会降低扬声器的效率［1］。因此，扬声器外径尺寸越大，它所能承受的功率越大，低频特性也越好。

扬声器的等效容积Vas与顺性Cms、面积成正比，即：

此外，当单元直径加大时，Vas也会加大［2］。根据本产品内部空间尺寸，可用最大标准扬声器的尺寸约为47 mm×47 mm。

1.2 扬声器并接特性

因产品底部向外声辐射空间狭小，中高频响声压级会严重衰减，故可复用2 只8 Ω、3 W 的全频单元并接（如图1 所示）用作系统中低音频域。需要说明的是，并接可保证f0频率附近的声压特性（包括频响与瞬态）［3］。

以同规格2 只单元并接与原单只单元的声强级进行对比，以分贝计算的产品中低音声强级变化为：

另外，并接的单元f0处的位移减少，可减小系统低频响应非线性失真。

1.3 音圈

为了使中低音系统获得较宽的频带，同时保证较高的声压级，产品单元选用两层铜包铝线卷绕在直径20 mm 的Kapton 骨架上。Vance Dickason 提供的实验数据表明，同规格的单元在偏轴30°时，4 层线音圈比2 层线音圈的频响在1 kHz 以上低通衰减大［2］。

1.4 振膜和磁体

从单元的中低频宽考虑，产品单元选用凹面的纸盆振膜加凸防尘帽，特点是中低频区域辐射效率高。选用主磁加副磁的磁路结构，保证单元的灵敏度，降低低频振动谐波失真。

1.5 增加高音单元

受制于产品自身外观结构，产品底部频响范围无法达到10 kHz 以上，影响高频的清晰度。产品在右上角空调网下方安装一只约33 mm、4 Ω、3 W 的丝膜球顶高音单元（见图1）。它的辐射方向朝上，可获得稍好的360°高频域指向性。

2 内部箱体设计

根据选用的单元T/S参数，本箱体的最大净容积设计为283 mL，外形如图2 所示。

当前，大部分智能音箱因外观因素，它的麦克风单体与外壳存在接触装配。任何箱体振动都会通过外壳体或空间辐射传导到麦克风或麦克风阵列模组PCBA。目前，有效的减振方式是承载中低音或全频响功率的音箱需做独立的箱体与外壳隔开一定的间隙。通常，各语音算法公司的推荐值在1～3 mm。

2.1 箱体的减振设计

本产品的减振设计方案如图2 所示，采用8 个硅胶柱套与上下壳胶柱装配，通过减小与壳体接触面积的方式实现减振。

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（见图2）。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。Vance Dickason 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［4］。

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47 mm×47 mm，有效面积按折环内1/3宽度计算，有：

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1 310.46 mm2。

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0.5 mm 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 箱体内的填充物

由于箱体形状狭长，除了内壁增加多处加强筋外，还在每只单元背后放入了一块PET 吸音棉，尺寸为60 mm×60 mm×20 mm，重1.8 g。此吸音棉能更好地抑制箱体内部反射引起严重的染色问题，同时会稍增大箱体的声顺性［2］。

3 声反射器的设计

因智能音箱在远场场景应用较多，要求在3～5 m 半径范围内均能获得近似的听感，故利用锥形反射器在水平360°方向形成了一个均匀声场。本产品因外观原因在中低音频域无法实现360°方向声扩散，折中方案是在底部出音空间内为每只扬声器增加一个锥形反射器，实现产品两侧面较大范围的声扩散。下面介绍与声反射器设计相关的抛物面体和刚性圆球面的声扩散特性。

3.1 抛物面体

抛物面体是由对应抛物线沿对称轴旋转360°形成的。抛物面有一种特性，即光源或其他能源如果置于抛物面焦点，其辐射能量经抛物面反射将与对称轴平行射出［5］。

3.2 刚性圆球面的散射声场

当声波遇到一刚性圆球时，该球体对声波产生散射作用，空间中除了原来的入射波外，还会叠加向四周散射的散射波［6］。当球面半径R很大时，散射波的一半将集中于入射波方向，而另一半则比较均匀地散布到其他方向。当声波的频率很低以致其波长比圆球半径大很多时，圆球的存在对入射波的传播并不产生大的影响，大部分入射声波可以绕过圆球向前传播。

3.3 声反射器尺寸设计介绍

本文设计的声反射器由抛物线AB 和半径弧线P2A 结合后沿轴线F 旋转360°形成。如图3 所示，半球面的顶点P2需高于单元折环的高度，一般取音圈向外位移的最大行程。本文反射器顶尖取R=5 mm，按20 kHz 声波的波长计算，R小于17 mm时满足声波绕射条件。P1B 抛物线B 点由单元锥盆外径决定。单元置于焦点F 处，辐射声波经过声反射器的反射，在水平方向得到一个宽阔均匀声场，同时垂直方向的指向性也能得到一定角度的控制。

本文产品底面出声高度空间只有7 mm。2 只全频单元正下方的声反射器由抛物面体和半球面结合而成。实验表明，反射空间高度狭小，扬声器与反射器之间会产生较多的高阶反射，无法完整反射出中高频声波。

如图4 所示，B 线是用抛物线旋转成的反射器，在3 kHz 以上严重衰减；A 线是抛物线+球面的反射，高频响上限可达15 kHz。

4 分频点的选择及最终的箱体频响

本产品在功放前级实现二阶电子分频。单元的功率储量会对分频点的选择产生影响，同时尽量避免将分频点设在人耳最敏感的1～3 kHz，否则易产生声源分开的听觉效果。最终整机调音确认的整机频响曲线，如图5 所示。中低音单元在9 kHz 开始滚降，而高音单元f0约在2 kHz，分频点选择在5 kHz，高于高音单元f0一个倍频程较合适。

5 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130 dB 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。