如何使用專用高音揚聲器和低音揚聲器快速實作高品質的 TWS 耳機

在音訊串流早期，無線數據傳輸率有所限制，因此使用者為了追求隨身享受數千首數位曲目的便利，只好接受音質保真度受損的代價。但隨著新推出的無線技術帶來更大的無線傳輸量和增進的壓縮演算法，消費者變得更加挑剔。這意味著設計人員現在要推出真無線立體聲 (TWS) 耳機，才能符合消費者的期待。TWS 耳機可望在整個音頻範圍內以更準確的方式重現聲音，尤其是舊有設計通常會遭受折損的高頻部位。

但音質只是現代無線音訊演繹的一個層面。在競爭激烈的市場中，耳機開發人員必須密切關注消費者的需求，並利用此深入見解，盡可能以最有效且符合成本效益的方式，提供最終產品的差異化。舉例而言，消費者也想要享受有效的主動降噪 (ANC) 效果，並且減輕閉塞效應，以便享受更優異的聆聽體驗。對於年紀較長的使用者來說，針對較高頻率下的自然聽力損失進行自動補償 (聽力個性化)，這樣的需求也越來越大。

為了滿足這些需求，需要採用經過修改的作法，讓設計將低音揚聲器與高音揚聲器分開。這已超出許多開發團隊的技能，導致上市時間延後，而且還有可能在招聘或培養專業人力時就錯失商機。

本文將概述商用無線音訊的發展，及其對耳機硬體與軟體設計的影響。接著還會介紹 TWS 耳機的公版設計，並說明設計人員如何用此快速讓耳機解決方案上市，進而達到差異化功能，同時精確地重現現代化音訊壓縮軟體所擷取的渾厚低音和延伸高音。

數位聲音的進展

在現實世界中，聲音是一種類比訊號，但大多數的錄音和播放都是處理數位訊號。聲音會透過類比數位轉換器 (ADC) 進行數位化，其中的編碼／解碼 (編解碼器) 演算法可控制取樣率 (Hz) 與位元深度 (bit)。採樣時會以指定間隔擷取聲音的類比波形幅度。

採樣率是一種權衡。較低的採樣率可減少要處理的數據，但解析度也會降低。位元深度是指每個樣本中的資訊位元數量；同樣地，在位元數和音質之間也必須有所折衷。常見的位元深度為 16、24 和 32 位元 (圖 1)。

圖 1：類比聲音會以指定頻率與位元率進行採樣以便數位化。提高採樣率和位元深度可確保數位化的資訊更貼近類比訊號，並可增強重現品質。(圖片來源： Knowles)

採樣率 x 位元深度 x 聲道數即可決定位元率 (bps)。若要達到可接受的音質，位元率通常要大於 192 kbps。例如，CD 音質需要 44.1 kHz 的採樣率和 16 位元的位元深度。若要重現立體聲，位元率必須達到 1.411 Mbps。

傳統的編解碼器通常會使用壓縮技術，資訊會在編碼過程中遭到摒除，但也經過判定不會過度影響聽眾對解碼後音訊串流的聽覺感受。這麼做是為了盡可能降低位元率，而不會過度折損音質。這種編解碼器稱為「有損」，因為解碼器永遠無法重現原始訊號，因為沒有所有的原始資訊。有損編解碼器通常會摒除較高的 (高音) 頻率。

多虧低功耗、短程無線電的進展，無線鏈路已經可以在不影響電池續航力的情況下支援更大的傳輸量。例如，低功耗藍牙音訊就是近期以低功耗藍牙為基礎而推出的無線串流規格，不僅可提供比傳統藍牙音訊更高的音質，功耗也有所降低。

工程師也提高編解碼器的效率。這些較新的「無損」編解碼器搭配更大傳輸量的無線連線後，就可促成更高音質的無線音訊 (表 1)。Apple、Amazon 與 Spotify 等公司提供的音訊服務，現在也都支援高音質音訊無損串流。但是，設計人員應注意，無損編解碼器的編碼位元率通常超出無線鏈路能可靠支援的限度。例如，Sony 的 LDAC 編解碼器以 6.1 Mbps (32 x 96 x 2) 的位元率進行編碼，但無線鏈路的位元率限制在 990 kbps。

表 1：「無損」編解碼器 (Sony、Savitech、Qualcomm) 與 CD 音質和有損編解碼器 (Qualcomm 與 Bluetooth SIG (SBC)) 的比較。請注意，無損編解碼器的最大位元率會受到藍牙無線鏈路容量的限制。(圖片來源： Knowles)

ANC 和個人化聲音

消費者對 TWS 耳機的期望不僅有卓越的音質。高階產品還必須提供 ANC 和其他功能。ANC 很受歡迎，因為可在吵雜的背景噪音中享受高品質的聆聽體驗，例如在飛機機艙中。ANC 會利用耳機中內建的麥克風拾取低頻雜訊，然後在使用者聽到之前就將其抵銷。抵銷的原理是耳機會產生與原本噪音反相 180 度的輔助聲音。

無線耳機現在提供的另一種關鍵增強功能就是個人化聲音。無論是天先或隨年齡增長而出現聽力障礙的使用者，可能都特別不容易聽到高頻聲音 (圖 2)。目前已經有智慧手機應用程式和其他工具，能讓使用者增強特定頻率來補償其聽力損失，但這些功能往往發展未全，因此效果不良。但現在，高品質產品會讓使用者接受詳細的聽力測試後，進一步利用演算法來設定全頻率範圍內的音量。因此耳機就可提供完美補償聽力不足的輸出。

圖 2：隨著使用者年齡增長，會逐漸失去聽到更高頻率的能力。個人化聲音可增強選定的頻率，以補償聽力靈敏度的損失。(圖片來源：Knowles)

現代耳機的最後一項技術進展就是降低閉塞效應。當耳機塞住耳道外部時，就會發生閉塞效應。對於要相當貼合耳朵的產品設計來說，這是經常發生的問題。耳機可有效地增加耳道的聲波「阻抗」，但反過來也會提高聲壓的幅度，特別是當耳朵遭遇使用者產生的低頻聲音時 (例如說話、走路和吞咽)。因此耳朵裡會出現類似回音的「轟鳴聲」，令人不悅且分散注意力。

耳機製造商一直努力透過機械設計來減少閉塞效應，例如在耳機和耳道之間添加一個小開口以降低聲波阻抗，以及透過軟體設計，例如在 ANC 常式中納入減少閉塞的功能。

低音和高音揚聲器分離的優點

比起設計連接到高階發燒音響系統的全尺寸揚聲器，設計無線耳機的困難度一直到近期才比較減緩。使用者可基於便利性而接受耳機音質較低的代價，也因此設計人員能以合理成本較輕鬆地開發小型尺寸的產品。例如，過去很常使用全音域單體而個別的低音和高音揚聲器，可藉此節省空間。高頻重現能力可能會被犧牲，但因為無線音訊串流本來就沒有這些頻率，因此這幾乎不成問題。

然而，隨著無損編解碼器和高傳輸量技術 (如低功耗藍牙音訊) 的問世，無線音訊現在已經可提供完整範圍的低音和高音頻率 (圖 3)。要重現這類音訊，耳機必須具備更多功能。此外，消費者也希望能以超小型尺寸，以及其注重的合理費用，享受 ANC、個人化聲音、減少閉塞效應，以及可因應眾多使用情境的適用性，包括音樂、電視、視訊會議和語音通話。

圖 3：無損編解碼器提供更多高頻資訊，因此在設計良好的耳機中播放音樂時，能更進一步重現高音音調。(圖片來源：Knowles)

這當中有許多要求都必須在設計上有所折衷。例如，為了在飛機機艙等吵雜環境中提供有效的 ANC，揚聲器單體就必須產生低失真的大量低音輸出。為了因應閉塞效應而採取的半開放式設計，則會進一步拉高低音輸出的需求。同時，無損音訊的播放也要揚聲器單體單體處理高達 20 kHz 以上的高音輸出。要用一個外形小巧的動態揚聲器單體來滿足這兩項要求，幾乎是不可能的。

解決方案就是在動態低音揚聲器和單獨的平衡電樞 (BA) 高音揚聲器上，將低音和高音頻率分離。BA 高音揚聲器是一種專門元件，最初是針對助聽器應用而開發，但現在也逐漸在高音質耳機上用來增強高音響應。在 BA 高音揚聲器中，電子訊號會讓一個微小的簧片振動，而此簧片位於緊湊外殼內，並在兩個磁鐵之間達到平衡。簧片的運動會轉移到一個非常堅硬的鋁製振膜上，進而產生聲音。

透過專用的低音揚聲器和 BA 高音揚聲器配置，低音揚聲器的設計可專注於提供強勁低音，以支援無損演繹、ANC 並且降低閉塞效應；BA 高音揚聲器輸出則可達到最佳化，提供清晰明亮的高音。如此便可降低等化需求，進而節省電力並提升動態餘裕 (圖 4)。

圖 4：將揚聲器系統分離成動態低音揚聲器 (綠色) 和 BA 高音揚聲器 (藍色)，就可產生平坦的頻率「混合」響應 (紅色)。(圖片來源：Knowles)

將揚聲器單體分離還有另一個優點：設計人員在單體排列上有更大的自由度。例如，低音揚聲器就不用那麼直接與耳尖對齊，因此 BA 高音揚聲器就可放在靠近在耳朵開口附近，如此便能將困在高音揚聲器與耳尖之間的空氣量降至最低，即可限制閉塞效應 (圖5)。

圖 5：將耳機中的低音和高音揚聲器分離，就可讓高音揚聲器朝裝置正面擺放，有助於限制閉塞效應。(圖片來源：Knowles)

此外，低音和高音揚聲器分離也可讓設計人員改善頻率響應。例如，可以針對高音揚聲器開口的聲學特點進行塑形，藉此提升高頻響應。然後，設計人員就可調整分音頻率，將低音和高音揚聲器的訊號平順地混合。設計人員還可挑選較高或更低的線圈阻抗，藉此調整高音揚聲器的靈敏度，與低音揚聲器達到更好的匹配。耳機整體頻率響應的最終整形可以透過數位訊號處理 (DSP) 調諧來完成。

此外，由於許多藍牙 IC 具有雙輸出，因此低音揚聲器和高音揚聲器可由單獨的放大器驅動，進而提高頻率響應整形上的靈活性。

高音質無線音訊公版設計

若工程師已經習慣在無線設計中採用單一揚聲器單體，為了要重現高音質音訊，而需將低音與高音揚聲器分離時，這當中涉及的額外複雜性可能會令其備受挑戰。然而，目前的趨勢就是朝更高音質的音訊功能發展，因此務必考慮提出雙單體設計的方法，以便用高音質重現無損音訊串流。

為了協助設計人員朝此方向邁進，BA 高音揚聲器製造商 Knowles 推出了 TC-35030-000 真無線立體聲耳機公版設計。此公版設計可縮短 TWS 耳機的上市時間，其中含有使用者所需的多種關鍵進階功能，因此可省去許多常見的設計難題。

此公版設計包括 Knowles 自家設計的 BA 高音揚聲器，可提供良好的高頻聲音，以及提供沈穩低音的 10 mm 動態低音揚聲器。此單元更含有 ANC 和語音呼叫用的微機電系統 (MEMS) 麥克風。此公版設計能以內建電池提供 13 小時的播放時間或 8 小時的通話時間，並且相容於藍牙 5.2。此套件還內建其他功能，包括觸控功能和整合式語音助理技術 (圖 6)。

圖 6：TC-35030-000 TWS 耳機公版設計採用 BA 高音揚聲器提供良好的高頻聲音，以及 10 mm 動態低音揚聲器提供沈穩的低音。(圖片來源：Knowles)

BA 高音揚聲器可提供高於 20 kHz 的頻率響應。若將 Knowles 產品的高音輸出與典型的 8 mm 動態揚聲器進行比較，BA 高音揚聲器可提供高音質音訊所需的增強高音輸出和延伸，更含有聽力個人化或增進的支援 (圖 7)。

圖 7：Knowles 的 BA 高音揚聲器與動態揚聲器的高頻響應比較。(圖片來源：Knowles)

結論

無線半導體和編解碼器的進步改變了耳機的樣貌。消費者現在期望入耳式 TWS 裝置具有渾厚的低音、精緻的高音和寬廣的動態範圍。此外，使用者也期望享有 ANC 和個人化聲音等進階功能，也更不接受閉塞效應等不良影響。

為了進一步滿足 TWS 耳機的頻率響應要求，設計人員可轉用具有專用高音和低音揚聲器的雙單體設計。即便這樣做有技術上的挑戰性，但 Knowles 的 TC-35030-000 TWS 耳機公版設計可提供一臂之力。其結合 BA 高音揚聲器、低音揚聲器和 MEMS 麥克風，能為高音質耳機的設計奠定良好基礎，並具有可促成顯著產品差異化的特點。