MEMS 扬声器的优势

基于 MEMS 的扬声器是一项新技术，挑战了电动和平衡电枢扬声器的既有地位。一个常见问题是：MEMS 扬声器在哪些方面更有优势？本文将尽力回答这个问题。

首先，我们必须将一般优势与应用特定优势区别开来。

MEMS 扬声器的一般优势包括：

• 无缝集成在电子 PCB 中；实际上，扬声器本身是建构在 PCB 基底上。扬声器可以与无线耳塞、耳机、可穿戴设备等电子设备轻松集成到 PCB 中。

图 1：基于 MEMS 的扬声器建构在 PCB 基底上。（图片来源：USound）

• 放大器和 MEMS 扬声器集成在同一 PCB 基底上。USound 提供带有模拟和数字接口的音频模块，这大大缩短了音频产品设计所需的时间。音频模块包括可编程滤波器，通过改变滤波器可以轻松调谐音频。音频模块随附的固件包括不同的滤波器组合，这些组合预先考虑了若干使用场景。

图 2：USound 将放大器和 MEMS 扬声器集成在同一 PCB 基底上。（图片来源：USound）

• 更低的功耗。尽管与电动扬声器相比，MEMS 扬声器需要更高的电压电平，但总体功耗却更低。由于 MEMS 扬声器固有的高阻抗特性，因此对驱动电流的需求较低。表 1 显示了使用三种不同方法在 94 dB SPL 时在 IEC 耦合器中测得的 MEMS 扬声器驱动电流。另外还包括参考平衡电枢扬声器 (Knowles 26824) 和电动扬声器 (Samsung HS330) 的电流消耗。

表 1：使用三种不同方法在 94 dB SPL 时测得的 USound MEMS 扬声器驱动电流，并与 Knowles 26824 参考平衡电枢扬声器和 Samsung HS330 电动扬声器进行比较。

低电流消耗使 MEMS 扬声器成为所有无线音频应用（例如真正的无线耳塞）的完美搭配产品。

利用 MEMS 扬声器的容性负载，可以进一步降低其功耗。MEMS 扬声器的电气行为类似于电容器，因此其功耗的主要部分是无功功率，可以在系统中被再次利用。USound 的新型数字功率放大器可以回收很大一部分无功功率。

表 2：Knowles 扬声器、Samsung 耳机和 USound MEMS 扬声器的有功功率与实际功率之比的比较。

应用特定的优势

应用特定的优势必须分成两种主要应用来考虑：

• 塞耳式应用，即扬声器安装在耳塞中，位于耳道内部。在这种应用中，耳朵仅捕获扬声器发出的声音；外部声音会因为耳塞的密封性而衰减。
• 自由场应用，扬声器放在耳朵外面，耳朵可以自由捕获来自扬声器以外的其他声源声音。

塞耳式应用的优势

主要优点是整体外形尺寸小。这考虑到扬声器的尺寸以及前后的体积；若与 MEMS 扬声器一起，体积尺寸可以保持最小。图 3 显示了 USB-C 耳塞的 Megaclite 参考设计的末端。

低功耗与小巧的整体外形尺寸相结合，展现了无线耳塞的主要优势：小外形支持使用更大的电池，而更低的功耗意味着消耗的电池电流更少，电池的总续航时间得以延长。

图 3：USound 的 Megaclite 参考设计 USB-C 耳塞。（图片来源：USound）

USound 的单驱动器 MEMS 扬声器具有大带宽。图 4 显示了中国一家大型音响公司的测试报告，其中将 USound MEMS 耳塞与另外两个顶级品牌进行了比较。结果清楚地表明，单个 MEMS 驱动器即可轻松地与电动和多驱动器平衡电枢配置进行竞争。因此，MEMS 扬声器是实现真无线耳塞的出色技术。低功耗、小外形尺寸和最大可能带宽的结合，为真无线制造商和最终用户带来了空前的优势。

图 4：平衡电枢 (BA)、MEMS 和电动扬声器的带宽比较。（图片来源：USound）

自由场应用的优势

对于自由场应用，小外形尺寸不适合于全带宽应用。尽管如此，MEMS 扬声器作为高质量高频扬声器具有独特的优势，它在超声频域（最高达 80 kHz）具有扩展的带宽。

小巧的外形适合各种可穿戴应用。2019 年，USound 开始推出用于 AR/VR 眼镜的音频模块，其中包括全数字音频系统。该系统含有一个电动低音扬声器和一个 MEMS 高频扬声器。与单驱动器系统相比，其声音要明亮得多，并且提供一个独特的功能，可将声音集中在用户耳朵周围，同时衰减耳朵附近的音频信号水平（甚至距离非常近），确保良好的私密性。

图 5：USound 用于 AR/VR 眼镜的音频模块包括了一个全数字音频系统。（图片来源：USound）

另一种利用 MEMS 扬声器纤薄尺寸的应用是在阵列中，例如汽车音响系统。模块化阵列（诸如 USound 的参考设计 Harpalyke）可以直接安装在汽车车顶中，这样汽车中就不必安装庞大笨重的常用高频扬声器。MEMS 音频系统不仅能减少汽车重量和释放车内空间，而且声音常常更清晰、更明亮，因此带来独特的聆听体验。

图 6：MEMS 扬声器的纤薄外形非常适合扬声器阵列，例如汽车信息娱乐系统中的扬声器阵列。（图片来源：USound）

最终考量

MEMS 扬声器是一项新技术，其全部潜力将逐步展现出来。与电动和平衡电枢扬声器相比，该技术已经表现出独特的功能和引人注目的优势。在快速发展的音频市场中，MEMS 技术的早期采用者可以为最终用户提供无与伦比的优势。

最后要说的是，设计人员可以利用 DigiKey 独家分销的 USound MEMS 扬声器和测试板评估套件来直接了解 MEMS 扬声器的能力，并探索其潜在应用。