神秘的压电 MEMS 扬声器
随着语音交互系统在智能设备和电动汽车等各类消费级产品中普及， MEMS（微机电系统）麦克风已经获得业界和消费者的广泛认可。而作为一体两面的另一面 - MEMS 扬声器似乎一直蒙着一层神秘面纱。
受限于技术和市场等诸多因素，MEMS 扬声器的发展比麦克风稍慢。不过，随着近年行业先驱们的探索和大厂的发力， MEMS 扬声器逐渐成为焦点，目前市场上已经出现了诸多成熟的 MEMS 扬声器产品。
原理
显而易见，MEMS 扬声器同样是一种利用微机电系统技术制造的产品。MEMS 技术源于半导体工业，通常用于制造微小的机械和电气系统。与很多人理解的不同，MEMS 是一系列制造工艺的泛称，而不是一项具体技术。
技术层面，MEMS 扬声器有多个路线，如电容式（静电式）MEMS 扬声器、热声式 MEMS 扬声器、磁致伸缩式 MEMS 扬声器，以及当今的主流 - 压电式 MEMS 扬声器（Piezo-MEMS Speaker）。
磁致伸缩效应（magnetostrictive effect）指的是对软磁体进行磁化后，其形状、大小会发生变化的物理现象
我们主要介绍压电式 MEMS 扬声器。
压电式 MEMS 扬声器的核心是 MEMS 芯片模块，其本质是利用了压电材料的逆压电效应。
通过对锆钛酸铅（PZT）等压电陶瓷材料的表面施加电压，使其产生机械形变，从而将交流信号转换成机械振动，进一步推动空气并发出声音。
京瓷集团展示的压电陶瓷特性 ©京瓷
压电式 MEMS 麦克风正相反，它借助了正压电效应。即对压电材料施加物理压力使其形变，材料将电极化。声波使材料振动，就发出了持续变化的电压。
结构
压电式 MEMS 扬声器的基础原理很好理解，而具体到产品，不同厂家不同型号则可能天差地别。对看惯了传统动圈扬声器趋同结构的人来说确实耳目一新。
总的来说，基于制造工艺或结构，压电式 MEMS 扬声器的发展趋势或技术路线大致有两个流派。
一是混合式结构，即在 MEMS 芯片上附加了类似传统扬声器的振膜，MEMS 芯片相当于取代了动圈扬声器的磁铁和线圈作为动力部分。
USound 公司展示的 MEMS 产品结构 ©USound
二是纯固态结构，振膜和驱动一体，让压电材料直接振动发声。
xMEMS 公司展示的纯固态结构 ©xMEMS
两个路线其实殊途同归，都还需经过市场的考验。
优缺点
MEMS 扬声器结合了微机电系统和声学技术，其原理和结构都与传统扬声器完全不同，也具有许多传统扬声器无法比拟的优点。
最让人印象深刻的是它的小巧尺寸。半导体工艺带来的体积优势无需多言，这对于穿戴式设备等内部空间有限的产品意义重大。粗略比较，性能类似的 MEMS 扬声器和传统扬声器相比，体积能缩小约 40%，重量只有大概 20%，这种提升是非常显著的。
AAC 瑞声科技展示的 MEMS 扬声器 ©AAC
MEMS 扬声器本身的功耗和效率也可圈可点，以其独特的设计和材料，能实现可观的声能转换率，有利于延长设备续航。
对于制造本身，MEMS 扬声器的制造过程高度可控且一致性极好，这对大规模量产来说非常重要。此外，因为采用半导体工艺，可以直接集成配套电路或将 MEMS 扬声器集成到 PCB 板，简化制程。
它的结构简单，防水防尘性能也通常更好。
当然 MEMS 扬声器技术还在不断发展和完善中，它的制造成本相对较高。
此外，作为半导体设备，多数 MEMS 扬声器还离不开配套电路 - 如偏置电压驱动（ADC）、DSP 或放大器等。如果算上这些，MEMS 扬声器的功耗也将提高。
相较于传统的动圈扬声器，它在功率输出方面也存在一定限制。比如将其用作家庭音响或者公共广播系统目前还不合适，如果不借助阵列，其发声能力很难满足要求。不过这一点严格来说不算缺点，因为 MEMS 扬声器暂时还不是为这类场景优化的。
电声性能和测试
MEMS 扬声器有一系列技术优势，不过作为扬声器，只有电声指标过硬，才能经受终端消费者耳朵的考验。好的听感才能最终衡量一切。毕竟，先进技术被市场抛弃的先例数不胜数。
笼统地说，MEMS 扬声器的瞬态响应优异，中高频性能强悍，失真也通常很小，是理想的中高频单元。
当然，具体产品的电声性能只能通过专业设备进行测试评估。可用的参数包括：频率响应、失真、阻抗、声压级、信噪比、指向性等。
必须注意的是，因为结构和原理的根本性改变，某些用来评估动圈扬声器的参数对 MEMS 扬声器不一定适用。
根据 NTi Audio 工程师多年的应用经验，测试的挑战主要来自两方面。
对于组装好的成品，因为接线等限制，不方便直接输入信号，可以采用 NTi Audio 的外部滑频触发技术进行测试。
对于 MEMS 扬声器单体，则需要专门的直流驱动和滤波模块，腔体等，FX100 音频分析仪同样可以胜任。
应用和挑战
综合以上介绍，不难想象 MEMS 扬声器的应用场景 - 就是像助听器、耳机、智能眼镜等对空间要求较高的设备。
它优异的瞬态响应能力还适合营造空间音频效果，提升 AR/VR 的使用体验。
对于更大型的产品，MEMS 扬声器阵列也能提供卓越的声学性能，相信不久之后我们就能见到成熟的产品向消费市场推出。
由于 MEMS 扬声器是一项相对较新的技术，市场接受度仍在逐步提高。消费者和制造商需要时间来熟悉和信任这种新技术。
它同时也需要面对其它平面振膜扬声器的竞争。
©Audeze
不管怎样，MEMS 扬声器具有巨大的潜力。随着技术的不断进步和生产成本的降低，许多挑战已经被克服。未来，MEMS扬声器可能在更多的应用场景中展现其独特的优势。
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