提升性能/縮小尺寸　超音波喇叭引領音訊革命

隨著動圈驅動喇叭發明即將屆滿100週年，正是回顧此項無處不在且廣泛應用的線圈感測器的好時機，動圈喇叭如今幾乎出現在市面上每一款真無線耳機中，負責還原聲音。此項歷史悠久的技術，伴隨著物理學、材料科學和模擬技術的進步，經歷了一段漫長的發展歷程。然而，聲音「轉換概念」，簡單地說就是聲音在喇叭中產生的方式，自近一個世紀前首次誕生以來，幾乎未曾改變—那時候甚至還沒有耳機的出現。

在動圈喇叭中，喇叭的振膜以可聽見的頻率振動，直接推動空氣產生人們所聽到的聲音。儘管其他感測器的創新技術—靜電式、平板磁性，甚至現在的固態MEMS感測器—推動了產業的發展，但它們仍然基於「推動空氣」概念，並受限於相關的產品設計與性能限制。

包括xMEMS在內的一些新創公司，正在利用矽和壓電材料的特性，在微型喇叭中實現以往難以達到的頻寬、性能和音樂細節。然而，真正具有革命性潛力的領域，則是MEMS感測器未來的進一步發展方向。

超音波實現高傳真音質

在不久的將來，真無線(True Wireless Stereo, TWS)耳機將採用廠商如xMEMS的MEMS微型喇叭產生可聽聲音，其原理不再是直接推動空氣，而是透過超音波實現，這些超音波在正常情況下是人耳無法察覺的。自1960年代以來，「利用超音波產生聲音」一直是研究課題，但直到近期，此項技術才具備實現廣泛商業應用所需的聲學性能。

此項關鍵創新基於超音波調幅轉換原理，該原理將模擬音頻訊號轉換為超聲空氣脈衝，讓人耳感知到豐富、細膩、低音強勁且高傳真的聲音。為實現此一目標，需要一個配套的控制器/放大器ASIC，將音頻訊號調變為超音波載波訊號，進而驅動揚聲器產生聲學空氣脈衝。這些空氣脈衝在耳道內引發壓力變化，並因耳道的高聲阻，使人耳最終在可聽見的頻率範圍內感知到聲音。

超音波喇叭突破傳統發聲方式

當此類配套設計應用於TWS耳機時，其最顯著的優勢在於能在20Hz時實現140dB SPL輸出，這是高性能主動降噪(Active Noise Cancellation, ANC)應用在通風或「開放式」TWS設計中的目標聲壓級。

通風式設計在TWS耳機中相當常見，因為此設計能防止阻塞效應。阻塞效應指的是當耳道被堵塞時，佩戴者自身產生的聲音(如走路、跑步、說話或咀嚼)會產生內部共振並被放大。通風式設計的缺點之一是其在低頻時的聲壓級(Sound Pressure Level, SPL)會下降，有時甚至降低多達20dB。由於在20Hz時達到120dB SPL是理想的ANC性能，因此在阻塞設計中需要達到140dB SPL，以補償20dB的損失。

儘管現今的MEMS感測器在音質方面相較傳統動圈喇叭已有顯著提升，但它們在20Hz時最多僅能達到120dB SPL，這意謂著仍需與動圈喇叭搭配以消除低頻噪音。而超音波MEMS喇叭則無此限制。超音波喇叭具備極低的延遲和平坦的相位響應，整個頻段幾乎沒有延遲。此種低延遲和平坦的相位響應，結合高聲壓輸出，使喇叭能夠更準確地重現現代先進音訊格式，包括高解析音訊和空間音訊。

此外，動圈喇叭要在20Hz時達到140dB SPL，通常需要使用較柔軟的振膜。然而，柔軟的表面本身無法有效阻擋環境噪音，對ANC性能構成挑戰。相較之下，超音波MEMS喇叭產生的超音波氣流脈衝，不受外部環境頻率噪音的影響。同時，此類喇叭由極為堅硬的矽材料製成，其共振頻率超過最高可聽頻率的5倍以上。這意謂著超音波MEMS喇叭能有效充當被動噪音隔離的一種形式，最大程度減少噪音進入耳內，進一步提升ANC效果。

超音波揚聲器還具有極低的聲學總諧波失真(Total Harmonic Distortion, THD)，在20~20kHz範圍內低於1%，在40kHz範圍內低於3%。低THD、低延遲和平坦的相位響應，確保TWS耳機能實現更清晰、更精確的聲音再現，使每個樂器和人聲更加清晰、自然且富有層次感。

在設計上，喇叭與控制器的組合在直徑上更小，厚度僅為動圈喇叭的一小部分，這意謂著品牌可以在不影響外形尺寸的情況下，提供更出色的音訊性能。此外，超音波喇叭不需要聲學背腔，大幅縮短了機械設計與聲學調整的時間。

最終，TWS耳機的體積將變得更小，或能整合以往因體積限制而無法實現的新功能。

超音波喇叭推動TWS耳機再創新

以上改進理論上聽起來非常吸引人，但許多設計師可能會想知道，是否有實際證據來支持這些理論？其中一項真實產品為xMEMS Cypress。

Cypress由配套IC驅動，稱為Alta。Cypress和Alta的運作頻率接近AM無線電頻率，而非可聽見的聲音頻率，兩者協同工作，將類比電壓轉換為聲學空氣脈衝。Alta將輸入的基頻訊號調變為雙邊帶抑制載波(DSB-SC)AM訊號，而Cypress則在聲學範圍內進行解調，產生高頻空氣脈衝。

xMEMS的Cypress已於2024年CES消費性電子展中展示。Cypress和Alta將被整合到一個易於整合的系統級封裝(SiP)中，此方案可作為TWS耳塞中傳統動圈喇叭的直接替代品。該解決方案計畫於2025年上半年量產。

簡言之，超音波喇叭在聲壓級(SPL)、頻率響應、相位響應和總諧波失真等方面均優於動圈驅動器，更別提超音波喇叭所帶來的設計靈活性。無論是發燒友級音質表現，還是最嚴苛的主動降噪應用，超音波喇叭都能提供卓越的音訊性能。同時，超音波喇叭的尺寸更小，並且透過超聲空氣脈衝產生聲音，突破了傳統設計的限制。正是此超音波產生聲音的原理，將引領下一次個人音訊革命，尤其是人們每天都在使用的TWS耳機。

(本文作者任職於xMEMS Labs)