作者：Ryan Boyle，產(chǎn)品營銷高級工程師
摘要
隨著AR和VR的普及率不斷提高，設(shè)計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)計的應(yīng)用場景和優(yōu)勢及相關(guān)挑戰(zhàn)，并重點介紹可為此類產(chǎn)品增強音頻性能的技術(shù)。
引言
如今，耳塞和頭戴式耳機已融入我們生活的方方面面。人們在走路、跑步、工作和接電話時，都可能會佩戴它們。雖然耳塞和頭戴式耳機為聆聽音樂、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問題，例如無法聽到駛近的車輛或他人的呼喚。為解決這方面的問題，再加上對增強現(xiàn)實(AR)和虛擬現(xiàn)實(VR)眼鏡的需求不斷增長，開放式音頻技術(shù)越來越受歡迎。
圖1.眼鏡腿中嵌入揚聲器的智能眼鏡。
什么是開放式音頻？
開放式音頻設(shè)備通常是指不會擋住或遮住耳朵的個人音頻播放產(chǎn)品。這些設(shè)備允許外界噪聲穿過，使用戶能夠聽到周圍環(huán)境的聲音，保持對環(huán)境的感知。智能太陽鏡、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。例如，騎自行車時可以聽到周圍交通工具的聲音，從而降低事故發(fā)生風險。此外，長時間使用耳塞或頭戴式耳機會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)計得當，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，減少對周圍人的干擾。此外，與人交流時，無需摘下頭戴式耳機或耳塞，讓溝通更加流暢自然。接聽電話也變得更加自然，因為耳朵未被遮擋，用戶能夠同時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依賴麥克風將用戶的聲音通過揚聲器傳回（有時稱為側(cè)音），以便用戶可以聽到并調(diào)整自己的聲音，避免聽起來不自然或太小聲。試著用手指堵住耳朵說話，你會發(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，也很難解決這一問題。然而，開放式設(shè)備沒有這種困擾，因為它不會堵塞耳朵。
開放式音頻的應(yīng)用在三個關(guān)鍵應(yīng)用場景中顯著增加：VR頭戴設(shè)備、增強現(xiàn)實/混合現(xiàn)實(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，便無需外部頭戴式耳機。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)實體驗就不完整。通過利用頭部追蹤功能進一步改善空間音頻，沉浸式體驗的可信度將得以提升。此外，在企業(yè)和工業(yè)應(yīng)用場景中，對音頻有特定的要求，因為這些應(yīng)用場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，保持對環(huán)境的感知同時清晰傳達信息至關(guān)重要。
在不久的將來，帶有嵌入式麥克風和揚聲器的眼鏡將成為常見的應(yīng)用場景。通過這種外形設(shè)計，用戶能夠快速訪問語音助手、無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配功能。不難想象，音頻眼鏡在未來將無處不在，可能接下來十年內(nèi)就會成為主流。
圖2.未來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，但也帶來了一些難題。頭戴式設(shè)備需要重量輕，并提供持久續(xù)航，以便長時間使用。在音頻信號路徑中，效率變得至關(guān)重要，尤其是當加入視頻錄制或視覺顯示等耗電量大的功能時。此外，這些設(shè)備在公開場合佩戴時需要具備時尚感和吸引力，應(yīng)當能夠便捷地進行充電，尤其是對于配鏡眼鏡。此外，由于耳塞在音頻性能方面設(shè)定了高標準，因此消費者期待同樣高水平的音質(zhì)體驗。
開放式音頻設(shè)備所面臨的聲學(xué)難題顯而易見，但解決起來并非易事。由于其揚聲器不像頭戴式耳機或耳塞那樣是封閉的，有時可能離耳朵較遠，因此在自由空間里可能會損失低頻能量。此外，它們比典型的頭戴式耳機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)計方面的考量也非常重要，因為如果將揚聲器放置得較遠，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體驗的效果。
ADI公司提供一系列具有適當規(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，包括語音算法1、電池管理、充電產(chǎn)品2，從而有效應(yīng)對上述難題。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聲器放大器。實現(xiàn)電流和電壓(IV)反饋（即跟蹤經(jīng)過揚聲器的電壓和電流）是優(yōu)化小型揚聲器性能的另一種方法。獲得專利的ADI揚聲器保護算法可利用揚聲器IV數(shù)據(jù)來進一步增強系統(tǒng)中使用的微型揚聲器的性能。
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)計人員快速創(chuàng)建高質(zhì)量音頻解決方案，無需進行I²C編程。這款產(chǎn)品兼具模擬放大器的簡單性與數(shù)字輸入放大器的性能和效率。在智能眼鏡項目中，如果音頻設(shè)計不是主要關(guān)注點，這款放大器將是理想之選，所需的專業(yè)知識極少，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)放置多個揚聲器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來準確判定微型揚聲器的熱量和振幅限值。有了這些信息，便可安全地讓揚聲器在超過額定參數(shù)的情況下運行，而不會造成損壞。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)字信號處理器，可將這些算法直接集成到放大器本身，減少了主機處理器上的MIPS負載。這款放大器可使用具有直觀界面的配套軟件DSM Sound Studio進行編程，從而實現(xiàn)快速調(diào)校，并帶來顯著的提升效果。
根據(jù)應(yīng)用，MAX98390可將低頻下潛深度增加多達兩個八度，并實現(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，將效率進一步提高25%。MAX98390為系統(tǒng)設(shè)計提供了靈活性，配備帶有包絡(luò)跟蹤功能的可編程升壓轉(zhuǎn)換器，以達到理想效率。
圖4.使用DSM改進頻率響應(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)計的新型D類放大器。這款放大器集成了IV反饋以實現(xiàn)智能放大器特性，且效率高達90%。
結(jié)論
無論您是要開發(fā)集成揚聲器的眼鏡，為客戶提供出色的音頻體驗，還是設(shè)計要在嘈雜環(huán)境中大音量播放的工業(yè)混合現(xiàn)實眼鏡，市面上正涌現(xiàn)越來越多經(jīng)過優(yōu)化的解決方案，能夠滿足您的需求。要想在小尺寸設(shè)計中最大限度提高性能，具有IV反饋和揚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、用于語音處理的低延遲音頻數(shù)字信號處理器6等，也將幫助推動VR/AR和其他開放式音頻形式的普及。這些新興技術(shù)有助于增加運行時間并最大限度減少停機時間，使用戶在遭遇中斷后能夠快速恢復(fù)聆聽。音頻技術(shù)的未來就在前方，耳之所聽，心之所喜。
參考文獻
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實現(xiàn)并聯(lián)電池充電如何幫助提升用戶體驗”，ADI公司，2023年8月。
3 “通過近場環(huán)繞聲提升增強/虛擬現(xiàn)實體驗”，ADI公司，2021年6月。
4 “動態(tài)揚聲器管理”，ADI公司，2019年。
5 MAX17332，ADI公司。
6 ADAU1860，ADI公司。
作者簡介,
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擔任產(chǎn)品營銷和概念開發(fā)工作。音頻和音樂是他畢生的熱愛。 |
