智能音箱硬件结构总结（内容较多，请先收藏）
首先说明一下，本人并没做过智能音箱类结构，至于为什么会写有关智能音箱相关的内容，主要原因是想通过自己总结下智能音箱类硬件结构的共性点以及注意点，以便日后能用得上，在写本篇之前，本人也拆解过自己的音箱，但是为了寻找共性，通过网上查询不少资料，由于资料太杂太泛，看过后也容易忘记，故想亲自一个一个字敲下来加深印象，同时也加强理解。
智能音箱，相信很多人都有，也都用过，加上节前公司抽奖抽中的，本人已经有两个了，实际上两个音箱功能上并没有多大差别，就像不同手机一样，功能都差不多，主要差别在于配置的不同导致的体验不一样。比如说，语音方案不一样，可能就体现在唤醒成功率、语音识别、语义理解、拾音距离、降噪能力等的不同；扬声器的排布以及质量不同，所表现出来的音效、音质就不同；当然还有内容的不同，比如这一家的音箱音乐合作方是QQ音乐，另外一家音箱的合作方是网易云音乐，你让它播放同一首歌，两个音箱可能听到的不是同一个人唱的。
在智能音箱之前，已经出现过蓝牙音箱了，然而现在的智能音箱跟以前的蓝牙音箱有什么区别呢？ 以下是网上的回答：
1、首先是连接方式不同 ，蓝牙音箱内置蓝牙芯片，以蓝牙连接取代传统线材连接的音响设备，通过与手机平板电脑和笔记本等蓝牙播放设备连接，达到方便快捷的目的。而智能音箱主要是通过WI-FI连接相关设备，也就是说要通过网络联接相关设备。
2、功能上不一样 ，蓝牙音箱采用的是我们非常熟悉的蓝牙无线连接方式，它在使用中需要手机+音箱才能实现音频播放，一旦脱离手机等将无法独立使用。比如蓝牙音箱与手机对连后，就接管了手机的音频播放，手机的所有声音都会由蓝牙音箱发出来。而智能音箱采用的是WI-FI网络连接方式，可完全脱离手机、平板等智能设备后自主播放各种影音，无需依附于任何外在设备，这也是它与蓝牙音箱在使用上最大不同。此外联上网的智能音箱，可以放歌、听新闻，查询天气，配合其它一些设备，它还可以实现家电的控制，一句话概括就是，智能音箱未来将有无限可能。
所以智能音箱就是一种具备语音交互，可提供内容服务、互联网服务，以及场景化智能家居控制能力的设备 。
由于智能音箱有很大的想象空间，所以国内外巨头都争相进入这个行业卡位。
智能音箱跟蓝牙音箱在结构上的最大差别就是多了语音模块，由于语音模块的硬件结构要求，导致了目前智能音箱的结构形态的差别不大。以下是我个人通过脑图的方式总结了智能音箱硬件结构相关的知识点，如看不清可以点击图片放大查看。
由于内容太多，以下我只针对几个方面进行详细介绍。
01 麦克风阵列
麦克风阵列，从字面上，指的是麦克风的排列，也就是说由一定数目的声学传感器(一般是麦克风)组成，用来对声场的空间特性进行采样并处理的系统。
通俗地讲就是相当于在音箱上加了耳朵，这样音箱就会听到声音、并理解声音、最后进行反馈。
目前市场上成熟的麦克风阵列方案的主要包括：科大讯飞的2麦、4麦和6麦方案，思必驰的6+1麦方案，云知声（科胜讯）的2麦方案，以及声智科技的单麦、2麦阵列、4（+1）麦阵列、6（+1）麦阵列和8（+1）麦阵列方案等。
市场主流的智能音箱一般都有4麦以上，那为什么要这么多个麦，一个不行吗？
当然可以，但是效果会很不好，主要是应用场景的不同，方案就不同，单麦方案只要应用在近距离的场景下，如手机语音，如果应用在远距离场景下，这样的场景下会存在大量的噪音、混响以及回声，试想一下，如果只有一个麦，在麦和人的半径距离上，麦接收到声音时差是一样的，音箱就很难分辨谁跟它说话，距离越远效果越差。如果有多个麦，不同麦就收到声音的时差就不一样了，这时会形成一个波速区域，区域外的视为噪音，并通过算法抑制去除，这样麦克风就可以分辨方向，当然也是有精度范围的，但是，麦越多，定向精度越高。这时，又有个问题，如果在同样的距离，不同的方向，2个人同时说话，音箱到底听谁的，所以这里别人发明了一个唤醒的方法，就是每次都需唤醒一次，哪个方向上的人唤醒了音箱，音箱就先听谁的，这也是目前智能音箱的一个缺点：就是不能同时分辨两个以上的人声。这样的缺点就是每次对话都需要唤醒且只能一对一对话，这样体验就不是很好，所以现在有个叫声纹识别的技术，就是能记住唤醒人的声音，就好像你熟悉的人从你身后叫你，即使你没看到他，你也知道叫你的人是谁。这个技术目前还没太成熟，相信会很快推上市场。
一、麦克风阵列在结构设计上的一些要求 （以科大讯飞的5麦方案为例，其他方案如6麦、8麦类似，以下参考值均为讯飞官网参考资料）。
1、五麦环形阵列呈圆形布局，其中4个麦均匀分布在圆周，1个麦在圆心，圆直径为54mm；（这个直径跟算法有关系，不可随意更改，这也是市场上智能音箱的麦克风阵列处的外观都差不多的原因之一）
2、圆心的麦克风允许高出圆平面、但高度差不超过10mm；（麦克风阵列处最好是平面，这也是限制ID的原因之一）
3、圆平面和水平面之间可以有一定夹角，但夹角不能超过10°；（麦克风阵列处最好是平面，这也是限制ID的原因之一）
4、麦克风阵列的零度方向必须和产品的正面朝向保持一致。
二、麦克风阵列结构设计建议：
2 驻极体麦克风安装方式
1）面壳安装方式
该结构方案麦克风阵列和硅胶套装配后固定于面壳上，通过面壳上的拾音孔进行录音采集。如下图：
2）非面壳安装方式（不建议）
所有麦克风在一个开放空间内（如图 17 所示），麦克风本身不需要声腔结构，可以是裸露的。
3 硅麦克风安装方式
首先硅麦不同于驻极体麦，硅麦一般贴片的，所以硅麦相对于驻极体麦对ID的限制更加严格，麦的正上方弧面应尽量小，否则孔深太大。
硅麦按进音孔的位置分有两种：一种是上进音，另一种是下进音，其中下进音的对应PCB板子需穿孔。
其两种安装方式如下：
其中 L 表示深度，D 表示开孔直径， 结构设计时，需要保证开孔尽量大（D>1mm）,孔深尽量小（L<5mm），建议保证 L/D < 3。
1）为保证密封性，面板与PCB板之间以及硅麦本身都要选用硅胶保护套、 密封圈或泡棉密封，推荐poron。
2）为避免麦克风直接硬性接触面板产生震动，采用的硅胶保护套尽量选择较软的。
3）为了防止 MIC 音孔被堵，需要安装防尘网。
结构设计时需要避免谐振空腔的出现，如下图：
4 麦克风与扬声器之间的距离要求
结构设计时，应保证扬声器发声孔方向和麦克风拾音方向不在同一方向，扬声器和麦克风距离尽量远，扬声器到麦克风的声压不超过 90 分贝（在麦克风处测得），人声音量和扬声器音量强度信噪比不低于-25dB（人声到麦克风的声压约65分贝）。
建议调试步骤：
1) 在扬声器最大播音音量下，确保麦克录音不截幅，
2) 在扬声器最大播音音量时，距离麦克 3~5 米进行唤醒测试（超过 3 米人声需要适当提高），如果不能正常唤醒，则需调小功放增益，直到能正常唤醒为止。
02 音箱模块
首先是方案的确定，音箱方案需同时考虑成本以及音质，在硬件结构上，不同的方案选择不同的扬声器数量与质量，最终的成本会相差很大。
方案1：多个高音扬声器+低音扬声器
采用这种方案的代表厂商有苹果的HomePod和华为的SoundX，这两款都是高端产品，扬声器的品质都不错。
苹果的HomePod
华为的SoundX
这两款音箱外形看起来很相似，但是内部布局还是有些差别的，相同点都是实现了360°环绕声，差别在于：
1、苹果的HomePod采用1个低音扬声器，且出音方向朝上，这样麦克风阵列为了避免干扰得考虑远离出音方向，苹果的做法是往下移到音箱中部，但是这种麦克风阵列方式目前只有苹果这么做，估计通过算法优化了。高音扬声器是7个均分阵列，但是出音方向是朝下的。
2.华为的SoundX采用2个低音扬声器，且左右对称摆放，采用的是帝瓦雷（法国高端音响品牌，成立于2007年 ，总部设于巴黎）的低音增强技术，至于他们为啥合作，看下图，细品！高音扬声器和麦克风阵列都是常规布局方式了，这里不细说了。
这两家对高音扬声器的出线设计都比较特别：都是通过中间金属件间接把扬声器与PCB电性连接，这样做的好处就是装配方便，避免音腔漏气，缺点是增加了成本。
苹果的HomePod
华为的SoundX
方案2：多个全频扬声器+低音扬声器（或被动辐射振膜单元）
采用这种方案的代表厂商有叮咚智能音箱和小米小爱智能音箱HD、小度智能音箱大金刚和华为 AI 智能音箱2，具体细节大家慢慢看图吧！
叮咚智能音箱
小米小爱智能音箱HD
小度智能音箱大金刚
华为 AI 智能音箱2
方案3：1个全频扬声器+被动辐射振膜单元
这种方案扬声器用量最少，音质可想而知了，为了增加点低音效果有的通过增加被动辐射振膜单元，有的通过设计倒相管来实现，这种方案就是为了低成本考虑的，同时也非常适合小体积的音箱。最典型的有小度智能音箱、京东叮咚mini2，还有更狠的，如小米小爱智能音箱mini，连独立的音腔结构都省了。
小度智能音箱
京东叮咚mini2
小米小爱智能音箱mini
以上3种扬声器方案为目前智能音箱常见的方案，由于各厂商的音箱型号太多，这里就不一一列举了，有兴趣了可网上搜索相关音箱的拆解分析。
03 音箱设计的总结
1、扬声器的选型 ，应根据音腔大小选择，相反亦是，并通过声学设计优化，测试。
2、扬声器的指向性：
指向性是指扬声器声波辐射到空间各个方向的能力，扬声器对不同方向上的辐射，其声压频率特性是不同的，它与扬声器的口径有关，口径大时指向性尖，口径小时指向性宽，指向性还与频率有关，一般而言，对250Hz以下的低频信号，没有明显的指向性。对1.5kHz以上的高频信号则有明显的指向性。频率超过8kHz以后，声压将形成一束，指向性十分尖锐。
所以，某些音箱在不同方向上排列几个高音单元，就是为了改善指向性，比如苹果的HomePod和华为的SoundX，因此，
1）对于超重低音、重低音扬声器，其发声方向可无特别限制，扬声器可以放置于听音区的任何位置。
2）对于全频、中高频、高频扬声器，其发声方向尽量正对听音位置，若因结构、外观形态等限制，无法正对听音者位置，需要设计声音反射装置（如下图），以减小指向性带来的声音衰减。
3、箱体的设计
1）箱体壳需要足够的强度
箱体的厚度依据箱体振动情况和内部产生谐振的情况来确定。在条件允许情况下，尽量比箱壁做厚些，并在箱体内壁适当增加加强筋，以减小箱体振动，抑制箱体内部的声波谐振。
2）箱体的密封性要好
箱体不能出现漏气，特别是对于低音音箱，漏气的话会出现风噪声，所以应在箱体上下壳结合处增加泡棉密封或者点胶，甚至设计双止口结构，如下图。
3）提高音箱低音效果的结构
a、倒相管， 普通倒相式音箱把扬声器振膜露在外面来发声，而扬声器的后方也会有振动，如果把扬声器向后方的振动也利用起来，就会使声波加强，重低音加强，安装倒相管之后，低频声波反相后到前面和正面的声波叠加，增加了低频的输出声压，也就是说同样的箱体，同样的功率，倒相式音箱比封闭式音箱在低音上效果好得多。
倒相管设计位置、形状需要保证箱体内部气流的顺畅性，开口处应设计成类喇叭口并倒圆角，以减小低频失真及产生风噪声，倒相管的长度和截面积大小依据箱体容积大小、扬声器的相关参数进行设计和调节。
b、辐射振膜 ，它是利用空纸盆代替倒相管所构成的，适当加以控制可使空纸盆振动所产生的辐射声波与扬声器前向辐射声波同相，从而改善了音箱的低频特性，提高了低频频响，空纸盆倒相箱更适合用到容积相对较小的箱体中。
4、出声结构
1) 塑胶孔（外）+防尘网（内）
2) 钢网（外）+防尘网（内）
3) 网布（外）+塑胶孔（内）
5、减震
1）音箱固定位减震（加软胶垫）
2）扬声器固定位减震（加软胶垫）
3）麦克风阵列板减震（加软胶垫）
后面还有散热结构、导光结构等等，由于篇幅有限，这里就不详细介绍了，其中导光结构、热设计等，之前文章有总结，大家可以翻看之前文章或关键词搜索，以上如总结有不正确的地方，望留言指正，如果感觉不错，请帮忙转发、点赞 ，在此感谢！
图片素材来源：“我爱音频网”和“网络”。
麦克风设计参考来源：“科大讯飞”和”声智科技“。
其他内容参考：网络
END
特别声明：本文内容为本公众号整理、编辑、原创，部分图片内容来自于网络，只用于学习交流，如涉及版权问题，请联系删除，以上内容如有错误，欢迎留言指正，如需转载，请联系作者，谢谢！
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智能音箱硬件和软件介绍[上] 硬件结构解析 [农步祥]
科大讯飞 VBOX 智能音箱 - 电路板
Google 谷歌 Google Home 智能音箱
从2014年起，我们先后通过自购和合作厂商获得多个智能语音识别“流派”的品牌音箱产品。那么在接触和体验科大讯飞AIUI、亚马逊Alexa、Google Home 、微软小娜等实体化的硬件产品后，以及苹果的智能音箱HomePod即将上市之际，当我们打算总结时，却发现一直遗漏了一些需要为Soomal读者们解答的问题：这些智能音箱内部是什么结构，又是如何工作的？
随着市场、资金、技术人员的研发投入加大，语音识别交互产业技术也在逐步完善，除了诞生许多配套的软硬件供应商外，甚至已经有不少数量的开源硬件及开发资源，我们也将通过硬件和软件两部分去分析并介绍一个典型的功能完整、支持远场拾音[FAR]的智能音箱是如何诞生的。
基于树莓派的智能音箱开发组件 - 图片来自互联网
从上图可以看出，一个典型的智能音箱除外壳以外所有的模块化部件数量并不算多。有1、处理器主板；2、电源和功放电路板；3、扬声器；4、麦克风；5、可编程MCU电路板；6、LED灯。而7是一个增强低频量感的被动单元，并不是必要的组件。
另一个基于树莓派的智能音箱开发组件 - 图片来自互联网
另一个基于树莓派的智能音箱开发组件 - 图片来自互联网
有意参与智能语音交互体验或者成为音箱硬件、应用的开发者，这些基于树莓派的智能音箱开发组件并不需要花多少金钱就能获得。但是要注意的是这已经是2017年的产物，是智能音箱产业开发者们经过无数生产实践整合出来的产品。智能语音助手的工作流程大致可以分为语音识别[ASR]——语言处理[NLP]——语音合成[TTS]三个步骤，但实际上还需要细分为大量的专业项目，我们就以智能音箱的工作流程来介绍智能音箱内部的重要硬件组成部分。
麦克风阵列
DingDong 叮咚 LLSS-A1 语音智能音箱-拆解-麦克风阵列
为了接收语音，智能音箱自然少不了麦克风[Mic]以及模拟信号转数字的组件[ADC]，智能音箱为何一般会做成圆柱形？是因为除圆柱形占地面积小的优点外，圆柱形可让多个麦克风协同工作的阵列在箱体中不容易出现死角，还能像人耳那样辨别声音的来源和方向。既然是“阵列”，那么就至少需要两个以上的麦进行协同工作。Alexa Echo、Echo Dot等就用了7个麦克风，而Google Home、Home mini只用了两个。当然智能音箱产品中还有一些是通过改变蓝牙音箱的内部电路实现智能化，没有增加麦克风阵列电路的空间。不支持远距离语音识别、需要通过按键操作说话的智能音箱，则往往只有一个麦克风进行拾音。
Google Home电路板[黄色圈为MEMS数字麦克风] - 图片来自ifixit
MEMS数字麦克风 ：从叮咚LLS-A1的拆解中，我们还可以看从内部到一只只的麦克风组件，但是在更新的智能音箱内部电路板上，这些智能音箱必备的组件居然“消失”了，取而代之的是一种体积极小、集成度更高的MEMS麦克风，它的外形就像一个迷你的时钟晶振。
英飞凌的MEMS数字麦克风组件 - 来自互联网
英飞凌的MEMS数字麦克风组件 - 来自互联网
MEMS数字麦克风组件的结构 - 图片来自安森美
MEMS数字麦克风组件的电路图 - 图片来自安森美
除了体积大幅度减小，这些MEMS麦克风组件内部是由MEMS声音传感器和一个完整的Δ-Σ ADC流程电路的ASIC，这就意味着经过这样的麦克风可以直接输出数字音频PCM信号。市面上的MEMS数字麦克风主要来自AKM、娄氏、英飞凌等专业音频半导体厂商提供。
核心运算电路
DingDong 叮咚 LLSS-A1 语音智能音箱-拆解-全志R16处理器
JBL Go Smart 音乐魔方便携式语音智能音箱-君正X1000 MIPs处理器
变成数字信号后，进一步的识别和语言处理工作就要通过ARM处理器工作，国内的智能音箱一般采用全志、瑞芯微、AMLogic等小型处理器厂商的低功耗多核心ARM处理器，也有君正等MIPS处理器。由于省去了图形界面和显示输出，因此并不需要强大的处理性能。而美国厂商的智能音箱更偏爱集成度更高的TI、博通多媒体SoC，而联想的智能音箱甚至用上了英特尔的Atom X86处理器。虽然CPU性能不是最终影响智能音箱使用体验的关键因素，但更好的性能有利于更快地处理语音信息。
基于XMOS的麦克风阵列组件 - 图片来自互联网
基于XILINX FPGA的麦克风阵列 - 图片来自互联网
为了测试开发方便、优化语音处理的性能和速度，开源硬件的麦克风阵列所在的电路板还包含了一些可编程芯片，例如FPGA、DSP等，甚至XMOS也提供了这样的开发板，这些DSP子系统结合CPU通过操作系统的API用于语音的定向、降噪，甚至直接进行语音转换文本处理，DSP可以更低的功耗代价和更短的运算时间将语音信息转化为文本，这样语音信息只要经过阵列这一层电路板，实际上就经过了将模拟信号转变成一个可以供NLP工作流程的数字语音信号甚至是已经提取出来的文本信息。通过网络发送至云端进行进一步的计算。通过云端服务器获得的文本通过本地CPU运算转换为语音，也就是常说的TTS流程。
DingDong 叮咚 LLSS-A1 语音智能音箱-拆解-博通AP6210蓝牙4.0+WiFI模块
绝大多数智能音箱系统还支持智能家居功能，此时音箱内部的操作系统通过无线局域网络输出特定指令控制已经处于联网状态并且通电待机中的智能家电设备。
音频输出电路和扬声器
DingDong 叮咚 LLSS-A1 语音智能音箱-拆解-扬声器x4 四面各一个
DingDong 叮咚 LLSS-A1 语音智能音箱-拆解-TI TAS5731M 数字功放芯片
变成数字音频信号后，接下来自然就是Soomal读者们最为熟悉的音频输出部分了：将数字信号转换为模拟信号并通过功放和扬声器[喇叭]输出语音信息。音频输出部分的功率和音质往往最终决定了一个智能音箱的体积和物料成本，通常就是简单的D类数字功放电路和扬声器了。
谷歌Google Home Max智能音箱 - 图片来自互联网
JBL Horizon 音乐地平线 蓝牙音箱
绝大多数智能音箱对音质并不偏重，只需要一个小口径的全频单元就可以解决发声工作，讲究一些的智能音箱还会有多单元分频、被动单元增强低音等方式提升音质和音效。但也有少数以音质为长项的“音质派”智能音箱，音质成本反而占了很大比重，例如JBL Horizon Smart和Google Home Max等，而后者售价甚至高达379美元。
Amazon 亚马逊 Echo Dot 智能音箱收发器 - 工作状态
亚马逊还考虑到绝大多数用户都有现成的音箱可用，推出了通过模拟输出外接音箱将“功能机”变成“智能机”的音箱智能化产品Echo Dot[叮咚也有类似产品]。不过这类产品上市后人们很快就发现一个问题：它们需要传统的音箱产品保持待机工作，这对于使用待机功耗很低的数字功放音箱或许不是问题，但模拟功放电路设计的音箱甚至甲类功放待机，那就意味着严重的耗电暖炉和工作损耗了，这也注定了这类过渡产品市场潜力很小。
LED和显示
RGB LED灯珠 - 图片来自互联网
为了提供视觉化的交互信息，智能音箱一般还会有LED灯珠，单LED一般通过闪烁和明暗、呼吸等效果进行工作状态反馈，圆环状LED可以表示声音来源方向等效果，甚至还有类似Google Home那样的RGB LED，LED通过系统和可编程MCU芯片进行控制。
带屏幕显示的Amazon Echo Show智能……音箱？
带屏幕显示的Amazon Echo Spot
过去在智能音箱行业对于产品主要还集中在“音箱”属性上，但从去年底开始又出现了新的趋势，亚马逊似乎已经不满足于灯珠的效果，推出了带摄像头、屏幕显示的亚马逊Echo Show、Echo Spot等，增加了可视电话通讯、多媒体视频播放器等更多的用途，这类产品似乎已经不能归类为“智能音箱了”。
总结
以上的组件加上电源、外壳，就可以组装成了一个完整的智能音箱。音箱的硬件部分对于智能音箱是否好使起到了地基的作用，造型的美丑、音质的优劣、运算速度快慢等硬件特性决定了用户对音箱的第一印象的好坏，但是消费后如何保持用户黏度和长期使用、实用性的功能等等却并不是硬件能解决的问题，一个音质再好的Google Home也无法遥控家里的美的空调，这些语音识别应用的技术源头和隔阂来自何处？下一章中我们将介绍智能音箱的核心技术——软件系统和语音识别技术的结构。
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