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作者：Ryan Boyle，產品營銷高級工程師 摘要 隨著AR和VR的普及率不斷提高，設計人員開始尋求將開放式音頻技術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計的應用場景和優勢及相關挑戰，并重點介紹可為此類產品增強音頻性能的技術。 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，再加上對增強現實(AR)和虛擬現實(VR)眼鏡的需求不斷增長，開放式音頻技術越來越受歡迎。 
圖1.眼鏡腿中嵌入揚聲器的智能眼鏡。 什么是開放式音頻？ 開放式音頻設備通常是指不會擋住或遮住耳朵的個人音頻播放產品。這些設備允許外界噪聲穿過，使用戶能夠聽到周圍環境的聲音，保持對環境的感知。智能太陽鏡、配鏡眼鏡及各種AR和VR頭戴設備已采用這種技術。在典型的應用中，微型揚聲器安裝在眼鏡腿或VR頭戴設備上，聲音從上方直接傳導到耳朵。 開放式聆聽有許多優勢。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，開放式聆聽技術能夠消除這種不適感，防止身體疲勞。如果設計得當，開放式音頻設備既能為用戶提供出色的音質，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（有時稱為側音），以便用戶可以聽到并調整自己的聲音，避免聽起來不自然或太小聲。試著用手指堵住耳朵說話，你會發現很難聽清自己的聲音，而且聲音變得非常低沉模糊。即使是一些優秀的耳塞設計，也很難解決這一問題。然而，開放式設備沒有這種困擾，因為它不會堵塞耳朵。 開放式音頻的應用在三個關鍵應用場景中顯著增加：VR頭戴設備、增強現實/混合現實(AR/MR)眼鏡、音頻/視頻眼鏡（圖2）。在VR領域，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、重量和復雜性。這樣集成后，便無需外部頭戴式耳機。蘋果公司最新發布的Vision Pro配備復雜的開放式音頻系統、空間音頻集成和3D耳朵映射，展現了這一領域的進步。現在，VR頭戴設備能夠使用攝像頭觀察外面的世界，因此聽到周圍環境聲音的能力變得至關重要；我們可以預見，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，在企業和工業應用場景中，對音頻有特定的要求，因為這些應用場景通常處于嘈雜且聲學條件苛刻的環境中，比如工廠車間或汽車修理廠。在這些環境中，保持對環境的感知同時清晰傳達信息至關重要。 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用場景。通過這種外形設計，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。 開放式音頻技術具有諸多優勢，但也帶來了一些難題。頭戴式設備需要重量輕，并提供持久續航，以便長時間使用。在音頻信號路徑中，效率變得至關重要，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，這些設備在公開場合佩戴時需要具備時尚感和吸引力，應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定了高標準，因此消費者期待同樣高水平的音質體驗。 開放式音頻設備所面臨的聲學難題顯而易見，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。工業設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解決方案，包括語音算法1、電池管理、充電產品2，從而有效應對上述難題。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。實現電流和電壓(IV)反饋（即跟蹤經過揚聲器的電壓和電流）是優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數據來進一步增強系統中使用的微型揚聲器的性能。 兩種方法：數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，可幫助產品設計人員快速創建高質量音頻解決方案，無需進行I2C編程。這款產品兼具模擬放大器的簡單性與數字輸入放大器的性能和效率。在智能眼鏡項目中，如果音頻設計不是主要關注點，這款放大器將是理想之選，所需的專業知識極少，使用門檻低。此外，這款產品本身支持多通道TDM音頻，可在每側放置多個揚聲器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的情況下運行，而不會造成損壞。ADI還提供一套算法，統稱為Dynamic Speaker Management™ (DSM)解決方案，可根據IV數據優化揚聲器性能。DSM已集成到各種常用SoC中。 MAX98390是其中一款放大器，具有內置數字信號處理器，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，從而實現快速調校，并帶來顯著的提升效果。 根據應用，MAX98390可將低頻下潛深度增加多達兩個八度，并實現2.5倍響度（圖4）。此外，這款放大器具有出色的功耗表現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為系統設計提供了靈活性，配備帶有包絡跟蹤功能的可編程升壓轉換器，以達到理想效率。
圖4.使用DSM改進頻率響應和響度的示意圖。 ADI最近還推出了MAX98388，這是一款專為AR/VR和智能眼鏡應用設計的新型D類放大器。這款放大器集成了IV反饋以實現智能放大器特性，且效率高達90%。 結論 無論您是要開發集成揚聲器的眼鏡，為客戶提供出色的音頻體驗，還是設計要在嘈雜環境中大音量播放的工業混合現實眼鏡，市面上正涌現越來越多經過優化的解決方案，能夠滿足您的需求。要想在小尺寸設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，比如并行電池管理IC5、用于語音處理的低延遲音頻數字信號處理器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聆聽。音頻技術的未來就在前方，耳之所聽，心之所喜。 參考文獻 1 “適用于可聽戴設備和可穿戴設備的音頻解決方案”，ADI公司。 2 Kyle Johnson，“利用USB-C實現并聯電池充電如何幫助提升用戶體驗”，ADI公司，2023年8月。 3 “通過近場環繞聲提升增強/虛擬現實體驗”，ADI公司，2021年6月。 4 “動態揚聲器管理”，ADI公司，2019年。 5 MAX17332，ADI公司。 6 ADAU1860，ADI公司。 作者簡介 Ryan Boyle擁有馬薩諸塞大學洛威爾分校的電氣工程學位，輔修錄音技術。加入ADI之前，他在Bose Automotive Systems擔任產品營銷和概念開發工作。音頻和音樂是他畢生的熱愛。 |
