《华尔街日报》：新型硅基扬声器即将亮相下一代耳机

人类记录声音的复制方式在未来十年内的变革，或将超越过去一个世纪的总和。

即将登场的是由超纯硅晶圆蚀刻而成的固态扬声器——就像微芯片一样。这意味着它们将以当今任何产品都截然不同的方式运作，并具备现有音响系统无法企及的性能。

这项技术还体现了一个更广泛的趋势——所有电子元件向固态硅的转型。这种转变看似理所当然，却深刻改变了我们与世界的互动方式。

在万物固态化的进程中，声音再现技术长期处于滞后状态。当扬声器技术停滞不前时，我们手机中的传感器、无线连接天线等几乎所有组件，如今都已采用与制造微芯片相同的技术和材料进行数十亿规模的量产。

USound公司MEMS扬声器的爆炸视图。图片来源：USound实现这一转型的MEMS技术（微机电系统缩写），正是将1990年代整个无线电音响店的设备压缩成如今口袋大小的触控玻璃板的关键。

目前市场上采用MEMS技术的扬声器产品屈指可数。笔者试用了音频工程师使用的入耳式监听器原型产品，其表现令人惊艳。

追踪音频技术发展的SAR Insight & Consulting公司创始人彼得·库尼，研究基于MEMS（微机电系统）的固态扬声器技术已有十年。他表示，今明两年这项技术终将进入普通消费者可能购买的高端无线耳机等设备中。

开发该技术的xMEMS公司发言人透露，他们已向数十家企业提供扬声器原型样品，其中超过30家正在基于该技术研发耳机等产品。

专业音乐母带工程师布莱恩·卢西获得了这款高保真监听耳机的原型产品，他曾为九次格莱美获奖作品进行后期制作。卢西表示，他所用监听耳机中的固态扬声器已成为不可或缺的工具。

这项技术最终可能普及至所有智能手机、即将上市的各类耳机、智能眼镜及其他"可穿戴设备"。有理由相信在不久的将来，这些固态扬声器可能来自知名品牌。中国制造商立讯精密正致力于将该技术整合到消费设备中，该公司同时是苹果AirPods及新款Vision Pro头显的代工厂商。

立讯精密与苹果公司未回应置评请求。

从亚历山大·贝尔到纳米制造

无论是音响系统还是耳机，绝大多数扬声器的发声部件都遵循相同原理。1876年亚历山大·贝尔为第一部电话设计的扬声器首次实现了这一构想（严格来说，20世纪初Magnavox创始人改进的版本才是现代扬声器最直接的雏形——音频发烧友们想必会强调这一点）。

其工作原理如下：扬声器内部有一个磁铁，磁铁内部是一个线圈，线圈连接着一层坚硬但柔韧的振膜——如果你曾拆开过音箱前网罩就会看到。电流脉冲通过线圈时转化为振动，振膜将这些振动转化为空气运动，即我们所说的声音。

自发明以来，工程师们对这一设计进行了无数改进，但并未改变其基本原理。正是这些改进使得如今的扬声器能塞进智能手机或助听器中。

基于MEMS（微机电系统）的扬声器将所有部件整合为单一单元。因此它可以做得更小巧，同时提供更高清晰度，并可能降低功耗。这类扬声器利用了压电效应——这一原理已在MEMS设备中广泛应用。

压电材料通电时会产生形变。某些材料的振动频率极高，例如手机中梳状微型天线的振动速度可达每秒数十亿次。这些材料可由硅基制成，表面镀有压电薄膜。

奥地利公司USound（与加州圣克拉拉的xMEMS公司似乎处于该技术商业化的领先地位）制造的固态扬声器，通过在硅基上沉积微量压电材料来驱动连接振膜的活塞，从而发声。某种程度上，USound的工程师相当于用硅片取代了传统扬声器中的线圈和磁铁。

xMEMS的工程师们更进一步——他们的整个扬声器，包括振动膜，都是在超纯硅晶圆上制造的，这种硅晶圆同样用于制造全球几乎所有计算设备“大脑”的微芯片。

USound（成立于2014年）的首席技术官Andrea Rusconi Clerici表示，基于MEMS的扬声器厚度可小至1毫米，仅为智能手机和耳塞等设备中常用最小扬声器厚度的四分之一。USound已有一款产品上市：一副配备MEMS扬声器的眼镜。其最新扬声器长5毫米、宽1.4毫米——约为一本印刷书籍中星号的大小。

重现记忆中的音乐

Cooney指出，这项技术最大的应用场景是年销量约4亿副的无线耳塞市场，产品从Temu上20美元的平价款到Bose、苹果300美元的高端款不等。

当然，要获得市场认可，这项技术必须提供当前传统耳塞无法实现的功能。

为此我亲自进行了体验。简而言之，虽然当前顶级耳塞（如AirPods Pro 2）在传递温暖音质和清晰通话方面表现优异，但我们一直缺失某些听觉体验，这也是为何即使使用顶级设备，家庭聆听仍无法与现场音乐媲美的部分原因。

令人惊讶的是，固态耳塞让我在试听喜爱曲目时发现了以往未曾注意的细节（甚至能分辨出特定乐器），这是高端传统入耳式耳机也无法实现的。虽然在家使用配备独立高低音单元的昂贵音箱可获得类似体验，但这项技术的核心价值在于其便携性——能轻松放入口袋随身携带。

这张8英寸硅晶圆上集成了数百个微型扬声器。图片来源：xMEMs母带工程师卢西解释道，固态扬声器能提供更清晰音质的部分原因在于，压电硅微元件可实现更即时精准的振动。“理想状态下，完美扬声器应做到令行禁止——这点上固态技术更接近理想状态。“他补充道。

硅基音频的未来可能性

即便音频行业巨头采用固态扬声器技术，转型过程也可能耗时数年甚至数十年。这类扬声器或许会长期与传统扬声器搭配使用，毕竟后者在低音表现上仍具明显优势。

低频发声不仅关乎音乐律动感，对当前降噪耳机的性能也至关重要。这意味着未来耳机可能采用混合驱动单元——传统单元负责低频，固态单元处理其他频段。

但入耳式耳机（以及后续的头戴式产品）仅仅是这项技术应用的起点。

一旦机械构件实现硅基化，就会催生各种意想不到的新应用。例如，最初为阿波罗飞船开发的惯性测量单元（用于检测物体运动方向）有篮球大小，其固态版本如今已缩小至沙粒尺寸，这正是手机能自动旋转屏幕的原理（也是智能手表能识别运动状态的原因）。

目前一项虽显前沿但可能带来变革的固态扬声器应用，仍处于原型阶段，旨在让仅存在于增强现实和虚拟现实中的物体触手可及。研究表明，通过微型扬声器阵列产生的超声波场可对人体手部施加作用力。这项技术有望模拟VR中的握手场景——或是让虚拟物体产生真实触感。

Cooney指出，另一个尚属遥远的潜在应用是面向听障人士的可植入式扬声器。与此同时，FDA近期政策调整已允许企业销售非处方助听器。由于固态扬声器在听力最先受损的高频段表现优异，这将成为其理想应用场景。

苹果公司虽未涉足非处方助听器市场，但其AirPods Pro已能为轻中度听障人士提供助听功能。无论苹果未来是否采用基于MEMS的扬声器强化该功能，其竞争对手很可能率先尝试。

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联系作者Christopher Mims请致信[email protected]

本文发表于2023年7月22日印刷版，标题为《新型扬声器将重塑声音体验》