小外形智能扬声器，效果超乎想象

作者：德州仪器Mike Spence

智能扬声器是一类精巧实用的设备，可以用于播送天气预报、点餐或播放喜爱的歌曲。随着消费者发现了虚拟助手的更多用途，这些设备逐渐在更多的空间中得到应用，而且它们的外观大小也越来越小巧，不会让人感觉突兀显眼。

但是，扬声器的体积与输出功率有直接关系。智能扬声器的形状因数越小，其体积也越小。如果扬声器的体积缩小，其功率处理能力会受到影响，从而导致其产生的声压级降低。较小的扬声器可以营造更安静的环境，但同时也会减弱声音的清晰度，用户可能会因为无法在房间的各个角落听到智能扬声器的响应，而降低满意度（图1）。


图1：智能扬声器可以在房间的各个角落听到你的声音，但你能听到它的响应吗？

此外，产品价位也是导致消费者购买性能较弱、体积较小的扬声器的因素。换言之，消费者希望买到更小巧、更美观、且成本更低的智能扬声器，但这样的扬声器往往在音频输出电平和音频质量方面差强人意。

有哪些选项可用于增加较小扬声器的输出功率？

到目前为止，连续功率设计方法将音频放大器与扬声器的性能范围相匹配。这种方法提供了足够的功率来创建低频和高频，而不会损坏扬声器。但这也是扬声器体积减小导致声音变轻的原因。扬声器体积越小，声音越轻。

解决连续功率设计问题的一个办法是使用扬声器保护放大器，可以在不改变工业设计、扬声器尺寸或增加扬声器成本的情况下提高响度和音频质量（图2）。


图2：扬声器保护放大器可以让较小的扬声器发出更大的声音

为什么要如此重视扬声器的问题呢？智能扬声器与许多消费类电子产品不同，它的作用是音频采集和音频播放。音频播放系统中最重要的部分不是放大器，而是扬声器。

扬声器保护放大器通过实时修改电信号，使扬声器充分发挥出功能，从而有效提高扬声器的性能。音频扬声器是一种电机，可将电力转换为磁力产生的运动，使扬声器膜片快速来回移动，从而产生可听音。

扬声器在低频状态下推动空气发生运动，在高频状态下散热。但是这两种行为发生太多就会造成损害。在低频时，不利因素是过度偏移，扬声器的音圈向前或向后移动得太远而损坏自身或扬声器膜片。而当电力转换成高速运动时，高频会产生过多热量而导致扬声器受损。过热会造成各种损坏：扬声器中的胶粘剂会融化，从而导致结构失效；音圈中的磁铁会发生消磁；音圈会因过热而变形。

为了在避免损伤的情况下提高性能，扬声器保护放大器不仅基于复杂的信号分析，还借助扬声器模型，能够瞬间提供高达扬声器标称额定值5倍的峰值功率。这些计算程序能够使扬声器能够达到峰值功率，使其输出增加9dB至12dB，比采用传统放大器的相同扬声器的声音响2至3倍左右。图3显示了典型智能扬声器频率响应方面的改进。欲详细了解扬声器保护算法的工作原理，请查看智能放大器调谐指南。


图3：扬声器保护放大器使传统放大器的响度加倍

借助模型和信号分析，这些计算程序还能补偿扬声器在标称和更高输出电平下的频率响应问题，从而有助于提高音频质量和清晰度。
       
扬声器保护放大器是一种经过实践验证的可靠技术，广泛应用于各种智能手机、恒温器和笔记本电脑中。欲了解它们如何解决智能扬声器的难题，请阅读TI的智能放大器扬声器保护放大器。