电声行业主要技术门槛和技术壁垒
更新时间：2025-01-16 17:45 浏览量：2
（1）技术环节概述
音频重放技术是终端电声产品主要应用的技术。自然界中，声音由物体震动产生，经空气传播后由人耳接收并感知。人类为了欣赏和传播音乐，逐步发明了各种对声音进行记录和复现的工具。模拟音乐时代，声音主要以模拟信号形式记录在黑胶唱片、磁带等载体上，通过唱片机、磁带机等设备读取播放。
随着电子技术发展及人们对音乐设备存储容量、便携化需求的提升，数字音乐设备开始兴起，声音以数字信号的形式存储在 CD、硬盘等载体上，通过具备解码和扬声功能的电子设备播放，形成目前主流的音乐播放形式。数字音乐形式下，从音源到人耳感知声音的过程中，最重要的是两次信号形态的转换：数模转换将以数字信号形式存储的声音转换为模拟形态的电信号；电声转换将电信号转换为人耳可以感知的声信号。音频重放核心原理如下图：
各环节及其相关的核心元器件简介如下：
①数字音源环节，实现音频文件存储，常见的元器件包括固态硬盘、机械硬盘、RAM（随机存储器）、ROM（只读存储器）、CD 和 DVD 等。
②信号传输与读取环节，信号传输是将储存在硬盘、CD 等实体中的数字音源文件，通过各类线材连接方式或蓝牙等无线连接方式传输至后续功能模块；信号读取将存储的音频信息提取出来成可解码的数字信号，根据存储设备不同，该环节使用的元器件有所区别，如硬盘、RAM、ROM 等通过 SoC（System on Chip，系统级芯片）进行读取，CD 和 DVD 通过激光头、光学系统进行读取。
③数模转换环节，将接收到的离散的数字信号转化为模拟信号，即一串连续变化的电压电流信号，常见的元器件包括 delta-sigma 架构 DAC 芯片、R-2R 架构 DAC 芯片、分立式 R-2R 架构 DAC模组等，目前部分 SoC 具备集成的数模转换功能。
④信号放大环节，是将模拟信号功率进一步加大，以使其足以驱动高阻抗的发声单元或加强声音表现，该功能早期由分立的电子元件组合成电路实现，随着半导体技术的发展，大部分以独立芯片的形式存在，目前部分 SoC 具备集成的运算放大功能。
⑤电声转换环节，是将电信号转化成机械振动，进而发出声音由人耳接收并感知，根据不同发声原理，常见耳机发声单元可以分为动圈扬声器、动铁扬声器、平面振膜扬声器、经典扬声器等
电声行业涉及电子信息、电磁学、机械设计制造等多个学科，并需要应用半导体技术、材料学技术、自动化技术、精密模具开发技术、无线信号检测和处理技术等，只有经过较长时间的技术积淀，才能开发出优质的电声产品。且随着视听电子产业技术的发展，电声产品更新换代加快，产品生命周期变短，电声企业需要具备快速迭代开发新产品的能力，这需要企业具有长期的行业积累和前瞻性的技术预研水平，以及经验丰富的研发团队，因而对行业新进入者构成技术壁垒。
（2）核心技术环节
从全球电子产业分工来看，数字音源、信号传输与读取相关技术主要由存储、通讯等行业的龙头厂商推动发展，电声企业通过数模转换、信号放大、电声转换环节的研发创新，提升音频重放质量并优化音频听感。
①数模转换环节
在数模转换环节，音频文件一般以数字格式存储，音频设备需要将接收到的离散的数字信号转化为模拟信号，即一串连续变化的电压电流信号，用于驱动发声单元振动发声，数模转换器（Digitalto Analog Converter，DAC）是该环节核心元器件。DAC 的性能对声音质量有很大影响，高精度 DAC可以对数字信号提供更精准的模拟表示，声音还原性更高，即通常所说的“音质”更好。音频设备领域的 DAC 主要有两种技术架构：
A.一比特架构（Delta-Sigma 架构），借助内部调制器对输入信号进行积分运算，还原出原始数字信号对应的模拟信号，再经过低通滤波滤除高频噪声，将信号平滑，得到高精度的模拟输出信号，由于其数模转换中过程繁多且复杂，虽然其指标表现较优但普遍功耗较大且主观听感较差。一比特架构今天主要以 Delta-Sigma 架构来呈现，其工作原理仰仗于一套多环路负反馈的超采样电路、一套噪声整形电路和最终的低通滤波器电路工作，自身必须工作于数倍于原始信号是其特征，以及由于超采样滤波器的存在，信号重现必然存在一定的延迟（微秒级），其噪声频谱一般呈现于可用频率的数倍之外。
B.多比特架构（R-2R 架构），使用两个精密电阻将数字二进制数转换为与数字值成比例的模拟输出信号，其数模转换过程中结构较为简洁表现为普遍功耗较低，且具有低噪声、高精度、主观听感好的优点。R-2R 架构的权电阻结构可以工作于原始信号频率，工作基本没有延迟，选通信号识别后即可实时产生可用信号，其噪声频谱呈现于工频之内，信噪比完全取决于电路本体噪声。
高性能数模转换器技术壁垒较高，全球主要厂商有亚诺德半导体（ADI）、德州仪器（TI）、美信（Maxim）、美国微芯半导体（MICROCHIP）、美国凌云逻辑（Cirrus Logic）、意法半导体（ST）、日本瑞萨（Renesas）、日本罗姆（ROHM）等，领先企业多数为美日企。我国音频、通信等产业发展迅速，对数模转换器需求旺盛，但在 DAC 种类、性能与质量等方面与国外领先企业相比仍有一定差距。
②信号放大环节
通用运算放大器问世于 70 年代，是一种典型的基础元件，其工作原理是将输入信号进行放大，放大的倍数和波形的相位、频率由外围元件（电阻电容）控制。典型的运算放大器因为具备大的电压增益，早期被用作数字逻辑器件因而得名。运算放大器在音频通路中负责前置放大、滤波、缓冲、阻抗匹配等工作。
其自身产生的失真和引入的噪音是无法避免的，所有的这些负面影响，都会在最终呈现在扬声器上被人听到。而且这些失真和噪音一旦在前端电路产生，是无法被消除的。因此在高性能音频电路中，往往将低噪音、低失真的运算放大器放置在信号处理通路的最前端，比如 DAC电路后的 I/V（电压\电流跨阻转换器）、LPF（低通滤波器）和缓冲电路等等。
③电声转换环节
在电声转换环节，耳机将经过解码的电信号传递到发声单元，发声单元将电信号转化成机械振动，进而发出声音由人耳接收并感知。根据发声单元的不同发声原理，常见耳机发声单元可以分为以下几种类型：
A.动圈扬声器：动圈扬声器以内部的薄膜作为振动源，薄膜上附有导线圈，利用电流流过线圈产生磁场，磁场和永磁材料相互作用，推动薄膜振动产生声音。从声音表现上，动圈单元的优点为发声原理接近人类耳膜，声音较为自然耐听，低频宽松舒服；缺点则是发声效率较低动圈单元的面积较大，发声的过程中需要较多的空间和空气参与振动，因此无法有效控制漏音现象，解析度、层次感及声音密度等方面表现不足，高频部分衰减明显。
动圈扬声器制造原理简单、工艺成熟，生产厂商众多，是目前市场上应用最广泛的发声单元。应用动圈扬声器的终端耳机产品占据大部分市场份额，各家厂商的动圈单元的结构设计及振膜、音圈和磁体等关键组件选择均有所差异，制造成本差异较大，从低端白牌耳机到主流厂商的中高端产品均有应用。
B.动铁扬声器：动铁扬声器内，有一个很灵敏的铁片在两个磁铁之间的磁场内保持平衡从而悬浮，当输入信号电流变化时，线圈周围会产生交变电磁场，从而使铁片所处磁场变化而产生振动，铁片再通过驱动棒将这种振动传递到振动板上产生声音。从声音表现上，动铁单元擅于高频表现，且其功耗低、体积小，可以通过多单元组合处理不同频率的声音；缺点是频率响应范围窄，输出功率受限，震片刚性大会导致失真等问题，且成本较高，调音难度较大。
动铁扬声器代表性厂商分别是美国 Knowles（娄氏）公司、丹麦 Sonion（声扬）公司，均为主要服务于医疗领域的助听器厂商，消费电子领域业务占比较小，国内目前只有少数几家公司从事动铁技术的研发和生产。动铁扬声器频响范围窄、响度低，难以在头戴式耳机、TWS 耳机中使用，动铁扬声器主要应用于有线入耳式耳机产品，市场份额较小。
C.平面振膜扬声器：平面振膜扬声器将线圈嵌入轻薄的振膜中，永磁体集中在振膜的一侧或两侧，振膜中线圈内变化的电流产生磁场，在永磁体的产生的磁场中受力被作用，从而振动发声。由于振膜振动方式的区别，平板单元与动圈单元不同，其振膜是几乎全面积均匀振动的，所以产生的分割振动非常小，从而产生的失真更小，声音还原更好。平面振膜扬声器工艺精度要求高、体积较大、成本较高，多出现在高端旗舰音频设备中。
D.静电扬声器：静电扬声器结构与平面振膜扬声器相似，但其振膜表面是具有特定电导率范围的镀层，在几百伏的高压电场中输入信号产生交变电流，使电极板之间的静电场发生变化，驱动极化后的振膜振动发声。相较于其他发声单元，静电扬声器失真率低，重放频率非常宽。静电扬声器结构精密，对材料要求较高，通常为人工装配调试，且必须搭配独立专用耳放电路使用，综合成本高昂。目前全球仅有少数公司完全掌握静电扬声器生产工艺，仅用于少数超高端产品。
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