超聲波驅動的MEMS揚聲器實現可穿戴設備全頻音頻
發布日期:2025-11-26
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人們很容易忽略一個事實：你的智能手表里藏著一枚微型揚聲器——更不用說智能眼鏡中也同樣配備了。隨著我們逐步進入人工智能助手“隨時在線”的時代，眼鏡和手表正逐漸成為耳塞之外的重要替代方案，實現真正的免耳、免手持式AI交互。
然而，當前最先進的智能眼鏡和手表在外觀設計、輕薄程度和重量方面仍難以媲美傳統眼鏡與腕表，這將在很大程度上限制其廣泛普及。其中，一個關鍵制約因素在于：如今智能設備中的“微型”揚聲器必須適應產品的重量、造型與外形尺寸——而這并非易事。
傳統上，揚聲器需要一定的空間(哪怕只是微小間隙)才能發出超越蜂鳴提示音的可聽聲音。在微型化層面，現有揚聲器幾乎已逼近物理極限，嚴重制約了產品設計自由度與功能集成。許多智能眼鏡采用類似“飛行員”或“旅行者”風格的厚重鏡框，并非出于美學偏好，而是為了容納當前的微型揚聲器及其他電子元件。
但這一局面有望因新型超小型、超輕量、全硅結構的MEMS揚聲器而改變。要將這類更緊湊的揚聲器推向消費市場并應用于更多類型的智能設備，就必須重新思考微型揚聲器的工作原理。
線圈是瓶頸
迄今為止，在智能手表、智能眼鏡、AR頭顯等新興電子設備中集成高品質音頻系統的主要挑戰，是如何兼顧設備的時尚外觀與高性能聲學表現。更大的矛盾在于：音質出色的揚聲器往往帶來額外體積。
目前大多數微型揚聲器仍基于百年歷史的動圈式驅動結構，依賴線圈與磁體工作。要將其壓縮至適配新一代手表或眼鏡的厚度(約3毫米)，必須在性能上做出顯著妥協——尤其是音質方面。即便如此，這種3毫米厚的微型揚聲器依然限制了工業設計的靈活性。
真正理想的選擇，是一種在技術允許范圍內盡可能小巧，同時仍能提供豐富、自然音效的微型揚聲器——一種不受傳統線圈與磁體尺寸和重量束縛的解決方案。具體而言，就是一種可在高產能晶圓代工廠以硅工藝大批量制造的MEMS揚聲器。
盡管多年來多家廠商已推出MEMS揚聲器原型，但僅有少數實現量產，大規模商用者更是寥寥無幾。多數MEMS揚聲器仍采用傳統的“推空氣”活塞式換能機制，類似于傳統動圈揚聲器。但由于MEMS結構的振膜位移遠小于動圈單元，導致其聲壓輸出能力受限。
因此，當前絕大多數MEMS揚聲器僅作為無線入耳耳機或智能眼鏡中的高頻“高音單元”使用，功能有限。對于眼鏡和手表這類需在開放空間中實現全頻段音頻輸出的應用場景，大多數MEMS揚聲器尚無法勝任。要實現在自由場環境下的高質量全頻響應，必須對音頻換能機制進行根本性創新——擺脫對大位移機械運動的依賴。
這顯然并非易事。理想的MEMS揚聲器必須足夠微小以便集成到任意產品中，同時又能產生足夠的聲壓，在設備與人耳之間的近場空氣中有效傳播聲音。目標很明確：從最小的物理空間中釋放出“大音量”。唯有如此，制造商才能在設計時毫無顧慮地追求極致輕薄與美觀，因為全頻段高品質音頻已成為默認配置。
可利用超聲波發聲的固態微型揚聲器
近期，領先的音頻工程師開發出一款厚度僅為1mm的開放式近場MEMS揚聲器，它通過超聲波空氣脈沖產生聲音，而不是通過活塞式線圈和磁體結構(如圖所示)。由于它是一種半導體MEMS揚聲器，其作為微芯片的固有特性使其能夠增強隱私模式和通透模式等高級DSP功能，并實現優于傳統線圈架構的更佳、更一致的器件間性能。它所做的是，將原本人耳無法感知的超聲波脈沖轉化為全帶寬、高保真音頻。
圖：與現有的動圈式驅動單元相比，這款開放式MEMS揚聲器的厚度僅為其三分之一，整體尺寸僅為其七分之一，非常適合日益增長的輕薄型可穿戴設備。(來源：xMEMS)
與現有的動圈式驅動單元相比，這款開放式MEMS揚聲器的厚度僅為其三分之一，整體尺寸僅為其七分之一，非常適合日益增長的輕薄型可穿戴設備。由于其為固態結構(無活動部件)，該揚聲器具備出色的耐用性，并達到IP58級防塵防水標準，完全滿足可穿戴電子產品的嚴苛使用環境要求。
該技術已在智能眼鏡、智能手表以及開放式無線耳機(OWS)等多種形態下完成測試，在高低頻段均實現了等于甚至優于現有產品的聲壓級(SPL)，低音表現也顯著提升(在40Hz時聲壓級比主流OWS耳機高出11dB，在5kHz時高出約15dB)。
固態設計帶來了更快的瞬態響應速度與近乎零相移特性，使得其輸出的全頻音頻更加清晰、細膩且精準。極高的器件一致性還確保了左右聲道間的相位高度一致，有助于提升智能眼鏡與OWS耳機中的DSP功能效果——例如增強隱私模式，有效減少聲音外泄，保護用戶隱私。
固態MEMS揚聲器的其他應用場景
開放式固態MEMS揚聲器還有更廣闊的應用前景。在近場微型揚聲器中實現強勁的高頻輸出一直是一項技術挑戰。得益于其在最高頻率下仍能輸出至少90dB聲壓的能力，該技術特別適合“高音單元”類應用，例如用作智能手機中更小、更輕的聽筒揚聲器。
我們認為，能夠在開放空間而非封閉耳道內工作的MEMS近場微型揚聲器，是一項重大技術突破。它不僅解決了輕量化、可穿戴智能設備的聲學集成難題，更為電子產品制造商提供了前所未有的設計自由度——讓用戶在享受時尚外觀的同時，也能獲得高品質的音頻體驗。
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