摘要

隨著AR和VR的普及率不斷提高，設(shè)計(jì)人員開始尋求將開放式音頻技術(shù)作為一種新的聲音播放解決方案。本文將討論這種新穎外形設(shè)計(jì)的應(yīng)用場(chǎng)景和優(yōu)勢(shì)及相關(guān)挑戰(zhàn)，并重點(diǎn)介紹可為此類產(chǎn)品增強(qiáng)音頻性能的技術(shù)。

引言

如今，耳塞和頭戴式耳機(jī)已融入我們生活的方方面面。人們?cè)谧呗?、跑步、工作和接電話時(shí)，都可能會(huì)佩戴它們。雖然耳塞和頭戴式耳機(jī)為聆聽音樂、播客、有聲書和接打電話提供了便利，但隔絕周圍環(huán)境的聲音也可能帶來(lái)問(wèn)題，例如無(wú)法聽到駛近的車輛或他人的呼喚。為解決這方面的問(wèn)題，再加上對(duì)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(AR)和虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)眼鏡的需求不斷增長(zhǎng)，開放式音頻技術(shù)越來(lái)越受歡迎。

圖1.眼鏡腿中嵌入揚(yáng)聲器的智能眼鏡。

什么是開放式音頻？

開放式音頻設(shè)備通常是指不會(huì)擋住或遮住耳朵的個(gè)人音頻播放產(chǎn)品。這些設(shè)備允許外界噪聲穿過(guò)，使用戶能夠聽到周圍環(huán)境的聲音，保持對(duì)環(huán)境的感知。智能太陽(yáng)鏡、配鏡眼鏡及各種AR和VR頭戴設(shè)備已采用這種技術(shù)。在典型的應(yīng)用中，微型揚(yáng)聲器安裝在眼鏡腿或VR頭戴設(shè)備上，聲音從上方直接傳導(dǎo)到耳朵。

開放式聆聽有許多優(yōu)勢(shì)。例如，騎自行車時(shí)可以聽到周圍交通工具的聲音，從而降低事故發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)。此外，長(zhǎng)時(shí)間使用耳塞或頭戴式耳機(jī)會(huì)感到悶熱或耳朵疼痛，開放式聆聽技術(shù)能夠消除這種不適感，防止身體疲勞。如果設(shè)計(jì)得當(dāng)，開放式音頻設(shè)備既能為用戶提供出色的音質(zhì)，又能有效控制聲音外泄，減少對(duì)周圍人的干擾。此外，與人交流時(shí)，無(wú)需摘下頭戴式耳機(jī)或耳塞，讓溝通更加流暢自然。接聽電話也變得更加自然，因?yàn)槎湮幢徽趽?，用戶能夠同時(shí)清晰聽到外部聲音和自己的講話。傳統(tǒng)的耳塞和頭戴式耳機(jī)依賴麥克風(fēng)將用戶的聲音通過(guò)揚(yáng)聲器傳回（有時(shí)稱為側(cè)音），以便用戶可以聽到并調(diào)整自己的聲音，避免聽起來(lái)不自然或太小聲。試著用手指堵住耳朵說(shuō)話，你會(huì)發(fā)現(xiàn)很難聽清自己的聲音，而且聲音變得非常低沉模糊。即使是一些優(yōu)秀的耳塞設(shè)計(jì)，也很難解決這一問(wèn)題。然而，開放式設(shè)備沒有這種困擾，因?yàn)樗粫?huì)堵塞耳朵。

開放式音頻的應(yīng)用在三個(gè)關(guān)鍵應(yīng)用場(chǎng)景中顯著增加：VR頭戴設(shè)備、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)/混合現(xiàn)實(shí)(AR/MR)眼鏡、音頻/視頻眼鏡（圖2）。在VR領(lǐng)域，許多制造商已采用開放式解決方案來(lái)減小頭戴式顯示器(HMD)的尺寸、重量和復(fù)雜性。這樣集成后，便無(wú)需外部頭戴式耳機(jī)。蘋果公司最新發(fā)布的Vision Pro配備復(fù)雜的開放式音頻系統(tǒng)、空間音頻集成和3D耳朵映射，展現(xiàn)了這一領(lǐng)域的進(jìn)步。現(xiàn)在，VR頭戴設(shè)備能夠使用攝像頭觀察外面的世界，因此聽到周圍環(huán)境聲音的能力變得至關(guān)重要；我們可以預(yù)見，開放式音頻將成為常用的解決方案（圖3）。

就AR眼鏡而言，開放式音頻是整體體驗(yàn)的重要組成部分。如果沒有音效，光有視覺效果的沉浸式混合現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)就不完整。通過(guò)利用頭部追蹤功能進(jìn)一步改善空間音頻，沉浸式體驗(yàn)的可信度將得以提升。此外，在企業(yè)和工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景中，對(duì)音頻有特定的要求，因?yàn)檫@些應(yīng)用場(chǎng)景通常處于嘈雜且聲學(xué)條件苛刻的環(huán)境中，比如工廠車間或汽車修理廠。在這些環(huán)境中，保持對(duì)環(huán)境的感知同時(shí)清晰傳達(dá)信息至關(guān)重要。

在不久的將來(lái)，帶有嵌入式麥克風(fēng)和揚(yáng)聲器的眼鏡將成為常見的應(yīng)用場(chǎng)景。通過(guò)這種外形設(shè)計(jì)，用戶能夠快速訪問(wèn)語(yǔ)音助手、無(wú)縫接打電話和播放音樂。如果具備視頻錄制功能的眼鏡逐漸普及，開放式音頻播放也將隨之成為標(biāo)配功能。不難想象，音頻眼鏡在未來(lái)將無(wú)處不在，可能接下來(lái)十年內(nèi)就會(huì)成為主流。

圖2.未來(lái)的智能眼鏡將集成許多視覺和音頻功能。

開放式音頻技術(shù)具有諸多優(yōu)勢(shì)，但也帶來(lái)了一些難題。頭戴式設(shè)備需要重量輕，并提供持久續(xù)航，以便長(zhǎng)時(shí)間使用。在音頻信號(hào)路徑中，效率變得至關(guān)重要，尤其是當(dāng)加入視頻錄制或視覺顯示等耗電量大的功能時(shí)。此外，這些設(shè)備在公開場(chǎng)合佩戴時(shí)需要具備時(shí)尚感和吸引力，應(yīng)當(dāng)能夠便捷地進(jìn)行充電，尤其是對(duì)于配鏡眼鏡。此外，由于耳塞在音頻性能方面設(shè)定了高標(biāo)準(zhǔn)，因此消費(fèi)者期待同樣高水平的音質(zhì)體驗(yàn)。

開放式音頻設(shè)備所面臨的聲學(xué)難題顯而易見，但解決起來(lái)并非易事。由于其揚(yáng)聲器不像頭戴式耳機(jī)或耳塞那樣是封閉的，有時(shí)可能離耳朵較遠(yuǎn)，因此在自由空間里可能會(huì)損失低頻能量。此外，它們比典型的頭戴式耳機(jī)放大器需要更多的功率，因此需要使用不同的音頻放大器系列。工業(yè)設(shè)計(jì)方面的考量也非常重要，因?yàn)槿绻麑P(yáng)聲器放置得較遠(yuǎn)，周圍人將更容易聽到聲音。

圖3.更高質(zhì)量的音頻能夠大幅提升沉浸式VR體驗(yàn)的效果。

ADI公司提供一系列具有適當(dāng)規(guī)格和特性的音頻放大器，可滿足上述許多需求。此外，ADI為開放式音頻提供系統(tǒng)解決方案，包括語(yǔ)音算法1、電池管理、充電產(chǎn)品2，從而有效應(yīng)對(duì)上述難題。為了充分提高音頻性能，必須在緊湊的封裝中使用具有出色效率和高功率的揚(yáng)聲器放大器。實(shí)現(xiàn)電流和電壓(IV)反饋（即跟蹤經(jīng)過(guò)揚(yáng)聲器的電壓和電流）是優(yōu)化小型揚(yáng)聲器性能的另一種方法。獲得專利的ADI揚(yáng)聲器保護(hù)算法可利用揚(yáng)聲器IV數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)一步增強(qiáng)系統(tǒng)中使用的微型揚(yáng)聲器的性能。

兩種方法：數(shù)字即插即用放大器和智能放大器

MAX98361是ADI提供的一款即插即用型D類放大器，可幫助產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員快速創(chuàng)建高質(zhì)量音頻解決方案，無(wú)需進(jìn)行I2C編程。這款產(chǎn)品兼具模擬放大器的簡(jiǎn)單性與數(shù)字輸入放大器的性能和效率。在智能眼鏡項(xiàng)目中，如果音頻設(shè)計(jì)不是主要關(guān)注點(diǎn)，這款放大器將是理想之選，所需的專業(yè)知識(shí)極少，使用門檻低。此外，這款產(chǎn)品本身支持多通道TDM音頻，可在每側(cè)放置多個(gè)揚(yáng)聲器3，以獲得更多控制和沉浸感。

其他解決方案包括智能D類和D/G類放大器。這些放大器利用片內(nèi)IV反饋ADC來(lái)準(zhǔn)確判定微型揚(yáng)聲器的熱量和振幅限值。有了這些信息，便可安全地讓揚(yáng)聲器在超過(guò)額定參數(shù)的情況下運(yùn)行，而不會(huì)造成損壞。ADI還提供一套算法，統(tǒng)稱為Dynamic Speaker Management? (DSM)解決方案，可根據(jù)IV數(shù)據(jù)優(yōu)化揚(yáng)聲器性能。DSM已集成到各種常用SoC中。

MAX98390是其中一款放大器，具有內(nèi)置數(shù)字信號(hào)處理器，可將這些算法直接集成到放大器本身，減少了主機(jī)處理器上的MIPS負(fù)載。這款放大器可使用具有直觀界面的配套軟件DSM Sound Studio進(jìn)行編程，從而實(shí)現(xiàn)快速調(diào)校，并帶來(lái)顯著的提升效果。

根據(jù)應(yīng)用，MAX98390可將低頻下潛深度增加多達(dá)兩個(gè)八度，并實(shí)現(xiàn)2.5倍響度（圖4）。此外，這款放大器具有出色的功耗表現(xiàn)4，滿足升壓型D/G類放大器的要求。而且，它具有感知功率降低(PPR)特性，可在不影響音頻保真度的情況下，將效率進(jìn)一步提高25%。MAX98390為系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了靈活性，配備帶有包絡(luò)跟蹤功能的可編程升壓轉(zhuǎn)換器，以達(dá)到理想效率。

圖4.使用DSM改進(jìn)頻率響應(yīng)和響度的示意圖。

ADI最近還推出了MAX98388，這是一款專為AR/VR和智能眼鏡應(yīng)用設(shè)計(jì)的新型D類放大器。這款放大器集成了IV反饋以實(shí)現(xiàn)智能放大器特性，且效率高達(dá)90%。

結(jié)論

無(wú)論您是要開發(fā)集成揚(yáng)聲器的眼鏡，為客戶提供出色的音頻體驗(yàn)，還是設(shè)計(jì)要在嘈雜環(huán)境中大音量播放的工業(yè)混合現(xiàn)實(shí)眼鏡，市面上正涌現(xiàn)越來(lái)越多經(jīng)過(guò)優(yōu)化的解決方案，能夠滿足您的需求。要想在小尺寸設(shè)計(jì)中最大限度提高性能，具有IV反饋和揚(yáng)聲器管理算法的智能音頻放大器是理想的選擇。其他新興技術(shù)，比如并行電池管理IC5、用于語(yǔ)音處理的低延遲音頻數(shù)字信號(hào)處理器6等，也將幫助推動(dòng)VR/AR和其他開放式音頻形式的普及。這些新興技術(shù)有助于增加運(yùn)行時(shí)間并最大限度減少停機(jī)時(shí)間，使用戶在遭遇中斷后能夠快速恢復(fù)聆聽。音頻技術(shù)的未來(lái)就在前方，耳之所聽，心之所喜。

參考文獻(xiàn)

1 “適用于可聽戴設(shè)備和可穿戴設(shè)備的音頻解決方案”，ADI公司。

2 Kyle Johnson，“利用USB-C實(shí)現(xiàn)并聯(lián)電池充電如何幫助提升用戶體驗(yàn)”，ADI公司，2023年8月。

3 “通過(guò)近場(chǎng)環(huán)繞聲提升增強(qiáng)/虛擬現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)”，ADI公司，2021年6月。

4 “動(dòng)態(tài)揚(yáng)聲器管理”，ADI公司，2019年。

5 MAX17332，ADI公司。

6 ADAU1860，ADI公司。

作者簡(jiǎn)介

Ryan Boyle擁有馬薩諸塞大學(xué)洛威爾分校的電氣工程學(xué)位，輔修錄音技術(shù)。加入ADI之前，他在Bose Automotive Systems擔(dān)任產(chǎn)品營(yíng)銷和概念開發(fā)工作。音頻和音樂是他畢生的熱愛。