Der weltweite Absatz von Smart Speakern stieg zwischen 99,8 und 134,8 von 2018 auf 2019 Millionen Einheiten; Analysten gehen davon aus, dass die Zahl bis 205,9 auf 2025 Millionen Geräte ansteigen wird. Je mehr Klangqualität und Zuverlässigkeit der Sprachsteuerung zunehmen, desto größer wird dieses Wachstum sein. Einige Gestaltungsrichtlinien sind in diesem Zusammenhang hilfreich.
Musik hören, die Wettervorhersage ankündigen und smarte Geräte steuern – all das und noch viel mehr können smarte Lautsprecher. Typischerweise bestehen sie aus einem zylindrischen Gehäuse mit einem nach unten gerichteten Lautsprecher. Durch dieses Design können Töne mit einem 360-Grad-Surround-Effekt abgegeben werden, sodass sie überall optimal gehört werden können. Um Sprachbefehle von Nutzern auch von überall zu erhalten, integrieren diese meist ein Mikrofon-Array mit dem entsprechenden Algorithmus.
Ein akustischer Diffusor verteilt den Schall möglichst gleichmäßig in der Umgebung. Die Ausbreitung von Schallwellen wird durch ihre Geometrie und den Abstand zwischen Diffusor und Lautsprechermembran bestimmt. Königsstaat, ein Hersteller von Akustikkomponenten und Soundlösungen, nutzt die Finite-Elemente-Analyse, um die Klangqualität und Leistung seiner Produkte zu optimieren. Dadurch kann Kingstate ein Simulationsmodell erstellen, das das Polardiagramm des sich ausbreitenden Schalls vorhersagt. (Abbildung 1).
Abbildung 1: Das Polardiagramm zeigt, wie sich Schall ausbreitet.
Fortschrittliche Mikrofone für besseres Verständnis
Eines der Haupthindernisse für die Weiterentwicklung von sprachgesteuerten Geräten und Haussteuerungssystemen war lange Zeit die mangelhafte Spracherkennung – oft erhielten Nutzer die Antwort „Ich verstehe Sie nicht, bitte. Bitte sagen Sie es mir noch einmal.“ Die fortschrittlichsten Mikrofone von heute bieten eine Möglichkeit, dieses Problem zu lösen. Sie optimieren die Sprachaufnahme und reduzieren gleichzeitig unerwünschte Hintergrundgeräusche. Dadurch garantieren sie eine bessere Spracherkennung und mehr Komfort für den Bediener.
Mikrofone sind hochempfindliche akustische Komponenten, aber sie nehmen nicht nur winzige Schallsignale in der Luft auf, sondern auch Leitungsresonanzen und harmonische Verzerrungen, die durch Lautsprecherschwingungen und Produktmechanik verursacht werden. Aufgrund dieser nichtlinearen Signale ist der digitale Signalprozessor (DSP) nicht in der Lage, das AEC-Signal (Acoustic Echo Cancellation) effektiv zu verarbeiten, und daher hört der Benutzer ein Echo. Die Audioqualität verschlechtert sich und „Rauschen“ tritt auf. Es gibt jedoch mehrere Möglichkeiten, die Mikrofone in Verbindung mit den Lautsprechern für eine höhere Klangqualität zu gestalten:
- Mikrofonarray: Es ist möglich, eine Matrix aus zwei bis acht Mikrofonen mit einem DSP und Algorithmen zu kombinieren Strahl-Bildung um die Sprachqualität zu verbessern (Abbildung 2). Einzelne Mikrofone werden in unterschiedlichen Winkeln platziert (der Abstand zu den relevanten Mikrofonen ist wichtig, um Phasenprobleme zu vermeiden), um Signale von verschiedenen Quellen zu lokalisieren und auszuwerten.
- Mikrofonfrequenz und Empfindlichkeit: Die Mikrofone im Array sollten möglichst identische Frequenzgänge haben und sich idealerweise voneinander unterscheiden. um nicht mehr als 1 dB. Dadurch kann die Abweichung der vom DSP durchgeführten Berechnung verringert werden. Die Gesamtlänge des Schalltunnels, also die Strecke, die der Schall vom Mikrofon bis zum oberen Bildschirmrand zurücklegt (Abbildung 5) muss nicht überschritten werden 5mm und die Resonanzfrequenz des Mikrofonkanals sollte nicht kleiner sein als die 12 kHz.
- Mikrofonstufe: Idealerweise sollten die Phasen der Mikrofone möglichst nah beieinander liegen ± 5 °. Dies verringert die Driftzeit während der DSP-Berechnung und gewährleistet eine hohe Genauigkeit der Klangeigenschaften und -richtung.
- Dichtung der Mikrofon-Gummihalterung: Ein weiterer Aspekt, der die Klangqualität verfälschen kann, ist die Abdichtung der Gummihalterung des Mikrofons. Um zu verhindern, dass Ton vom internen Lautsprecher eines Geräts durch eine Lücke im Schalltunnel des Mikrofons gelangt (Abbildung 5), die Gummihalterung und der Mikrofonschirm müssen gut abgedichtet sein. Außerdem muss mindestens eine Schalldämmung vorhanden sein 20 dB SPL (Schalldruckpegel in Dezibel).
- Lage- und Stoßfestigkeit: Aufgrund der Verstärkung des Lautsprechers und der Signalverarbeitung des AEC des Mikrofons befindet sich der Lautsprecher meist in der Mitte des Gerätes. Das Mikrofon sollte so weit wie möglich vom Sprecher entfernt platziert werden. Damit es schlagfest und wasserdicht ist, muss das Mikrofon mit Gummi überzogen werden. Das Lautsprechergehäuse und die Schraubenlöcher müssen mit einer Schaumstoff- oder Gummihalterung gesichert werden, um Vibrationen zu vermeiden. Andernfalls nimmt das Mikrofon ein Störsignal vom Lautsprecher auf, was die Qualität des AEC beeinträchtigt.
Diese Richtlinien ermöglichen es, zuverlässige Akustikdesigns zu erstellen – und der Weiterentwicklung von Smart Speakers steht nichts mehr im Wege.
Autoren: Anne Santhakumar, Product Sales Manager Acoustic Components & Timing Devices bei Rutronik,
Jeff hsieh, Senior Manager der akustischen Forschungs- und Entwicklungsabteilung I, und sam cheng, Direktor der Akustik-Forschungs- und Entwicklungsabteilung II von Kingstate-Elektronik
