超声波驱动的MEMS扬声器实现可穿戴设备全频音频
发布日期:2025-11-26
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人们很容易忽略一个事实：你的智能手表里藏着一枚微型扬声器——更不用说智能眼镜中也同样配备了。随着我们逐步进入人工智能助手“随时在线”的时代，眼镜和手表正逐渐成为耳塞之外的重要替代方案，实现真正的免耳、免手持式AI交互。
然而，当前最先进的智能眼镜和手表在外观设计、轻薄程度和重量方面仍难以媲美传统眼镜与腕表，这将在很大程度上限制其广泛普及。其中，一个关键制约因素在于：如今智能设备中的“微型”扬声器必须适应产品的重量、造型与外形尺寸——而这并非易事。
传统上，扬声器需要一定的空间(哪怕只是微小间隙)才能发出超越蜂鸣提示音的可听声音。在微型化层面，现有扬声器几乎已逼近物理极限，严重制约了产品设计自由度与功能集成。许多智能眼镜采用类似“飞行员”或“旅行者”风格的厚重镜框，并非出于美学偏好，而是为了容纳当前的微型扬声器及其他电子元件。
但这一局面有望因新型超小型、超轻量、全硅结构的MEMS扬声器而改变。要将这类更紧凑的扬声器推向消费市场并应用于更多类型的智能设备，就必须重新思考微型扬声器的工作原理。
线圈是瓶颈
迄今为止，在智能手表、智能眼镜、AR头显等新兴电子设备中集成高品质音频系统的主要挑战，是如何兼顾设备的时尚外观与高性能声学表现。更大的矛盾在于：音质出色的扬声器往往带来额外体积。
目前大多数微型扬声器仍基于百年历史的动圈式驱动结构，依赖线圈与磁体工作。要将其压缩至适配新一代手表或眼镜的厚度(约3毫米)，必须在性能上做出显著妥协——尤其是音质方面。即便如此，这种3毫米厚的微型扬声器依然限制了工业设计的灵活性。
真正理想的选择，是一种在技术允许范围内尽可能小巧，同时仍能提供丰富、自然音效的微型扬声器——一种不受传统线圈与磁体尺寸和重量束缚的解决方案。具体而言，就是一种可在高产能晶圆代工厂以硅工艺大批量制造的MEMS扬声器。
尽管多年来多家厂商已推出MEMS扬声器原型，但仅有少数实现量产，大规模商用者更是寥寥无几。多数MEMS扬声器仍采用传统的“推空气”活塞式换能机制，类似于传统动圈扬声器。但由于MEMS结构的振膜位移远小于动圈单元，导致其声压输出能力受限。
因此，当前绝大多数MEMS扬声器仅作为无线入耳耳机或智能眼镜中的高频“高音单元”使用，功能有限。对于眼镜和手表这类需在开放空间中实现全频段音频输出的应用场景，大多数MEMS扬声器尚无法胜任。要实现在自由场环境下的高质量全频响应，必须对音频换能机制进行根本性创新——摆脱对大位移机械运动的依赖。
这显然并非易事。理想的MEMS扬声器必须足够微小以便集成到任意产品中，同时又能产生足够的声压，在设备与人耳之间的近场空气中有效传播声音。目标很明确：从最小的物理空间中释放出“大音量”。唯有如此，制造商才能在设计时毫无顾虑地追求极致轻薄与美观，因为全频段高品质音频已成为默认配置。
可利用超声波发声的固态微型扬声器
近期，领先的音频工程师开发出一款厚度仅为1mm的开放式近场MEMS扬声器，它通过超声波空气脉冲产生声音，而不是通过活塞式线圈和磁体结构(如图所示)。由于它是一种半导体MEMS扬声器，其作为微芯片的固有特性使其能够增强隐私模式和通透模式等高级DSP功能，并实现优于传统线圈架构的更佳、更一致的器件间性能。它所做的是，将原本人耳无法感知的超声波脉冲转化为全带宽、高保真音频。
图：与现有的动圈式驱动单元相比，这款开放式MEMS扬声器的厚度仅为其三分之一，整体尺寸仅为其七分之一，非常适合日益增长的轻薄型可穿戴设备。(来源：xMEMS)
与现有的动圈式驱动单元相比，这款开放式MEMS扬声器的厚度仅为其三分之一，整体尺寸仅为其七分之一，非常适合日益增长的轻薄型可穿戴设备。由于其为固态结构(无活动部件)，该扬声器具备出色的耐用性，并达到IP58级防尘防水标准，完全满足可穿戴电子产品的严苛使用环境要求。
该技术已在智能眼镜、智能手表以及开放式无线耳机(OWS)等多种形态下完成测试，在高低频段均实现了等于甚至优于现有产品的声压级(SPL)，低音表现也显著提升(在40Hz时声压级比主流OWS耳机高出11dB，在5kHz时高出约15dB)。
固态设计带来了更快的瞬态响应速度与近乎零相移特性，使得其输出的全频音频更加清晰、细腻且精准。极高的器件一致性还确保了左右声道间的相位高度一致，有助于提升智能眼镜与OWS耳机中的DSP功能效果——例如增强隐私模式，有效减少声音外泄，保护用户隐私。
固态MEMS扬声器的其他应用场景
开放式固态MEMS扬声器还有更广阔的应用前景。在近场微型扬声器中实现强劲的高频输出一直是一项技术挑战。得益于其在最高频率下仍能输出至少90dB声压的能力，该技术特别适合“高音单元”类应用，例如用作智能手机中更小、更轻的听筒扬声器。
我们认为，能够在开放空间而非封闭耳道内工作的MEMS近场微型扬声器，是一项重大技术突破。它不仅解决了轻量化、可穿戴智能设备的声学集成难题，更为电子产品制造商提供了前所未有的设计自由度——让用户在享受时尚外观的同时，也能获得高品质的音频体验。
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