Damit Smart Speaker optimal funktionieren – hören, "verstehen", sprechen –, gilt es ein paar Designregeln zu befolgen.

Damit Smart Speaker optimal funktionieren – hören, "verstehen", sprechen –, gilt es ein paar Designregeln zu befolgen. (Bild: ruy3228 @ AdobeStock)

Musik abspielen, den Wetterbericht vorlesen und smarte Geräte steuern – das und mehr erledigen Smart Speaker. Sie bestehen üblicherweise aus einem zylindrischen Gehäuse mit einem nach unten gerichteten Lautsprecher. Dieser sollte die Klänge gleichmäßig in einem 360-Grad-Raumeffekt abstrahlen, so dass sie überall optimal zu hören sind. Um die Spracheingaben von Nutzern von überall her zu empfangen, sind in der Regel Array-Mikrofone mit einem entsprechenden Algorithmus integriert.

Ein Diffusor verteilt den Schall möglichst gleichmäßig in der Umgebung. Wie sich die Schallwellen ausbreiten, wird vor allem durch seine Geometrie und den Abstand zwischen Diffusor und Lautsprechermembran bestimmt. Kingstate nutzt die Finite-Elemente-Analyse, um die Klangqualität und Leistung der Produkte zu optimieren. Damit erstellt Kingstate ein Simulationsmodell, dass das Polardiagramm des sich ausbreitenden Schalls vorhersagt.

Schallausbreitung
Bild 1: Das Polardiagramm zeigt, wie sich der Schall ausbreiten wird. (Bild: Kingstate)

Fortschrittliche Mikros für besseres Verstehen

Eine Hürde auf dem Weg zum Durchbruch sprachgesteuerter Geräte und Haussteuerungssysteme war lange die mangelhafte Spracherkennung – zu oft bekamen Nutzer die Antwort „Ich habe Sie nicht verstanden. Bitte wiederholen Sie Ihre Eingabe.“ Einen Ansatz, um dieses Problem zu lösen, bieten aktuelle, fortschrittlichere Mikrofone: Sie optimieren die Aufnahme von Stimmen und reduzieren gleichzeitig unerwünschte Hintergrundgeräusche. So sorgen sie für eine verbesserte Spracherkennung und mehr Bedienkomfort.

Mikrofone sind hochempfindliche akustische Komponenten, die jedoch nicht nur minimale Schallsignale in der Luft empfangen, sondern auch die leitende Resonanz und die harmonischen Verzerrungen durch Schwingungen des Lautsprechers und der Mechanik des Produkts. Aufgrund dieser nichtlinearen Signale kann der DSP (digitaler Signalprozessor) das AEC- (Acoustic Echo Cancellation) Signal nicht effektiv verarbeiten, der Nutzer hört ein Echo. Die Audioqualität verschlechtert sich und es entsteht ein Rauschen. Doch es gibt einige Möglichkeiten in einer Applikation, die Mikrofone zusammen mit den Lautsprechern zu gestalten, um eine höhere Klangqualität zu erhalten:

Akkustik Mikrofon
Bild 2: Durch die Kombination der Informationen vom linken und rechten Ohr kann der Mensch die Schallrichtung lokalisieren. Genau dasselbe Prinzip lässt sich mit zwei oder mehr Mikrofonen umsetzen. (Bild: Kingstate)

1. Mikrofon-Array: Ein Mikrofon-Array aus zwei bis acht Mikrofonen lässt sich mit DSP- und Beamforming-Algorithmen kombinieren, um die Sprachqualität zu verbessern.

Hierbei werden die einzelnen Mikrofone an unterschiedlichen Winkel platziert, dabei ist die Distanz zu den jeweiligen Mikrofonen wichtig, um Phasenprobleme zu vermeiden, um so die Signale aus diversen Stellen zu lokalisieren und zu bewerten.

2. Mikrofon-Empfindlichkeit und -Frequenz: Die Mikrofone des Arrays sollten möglichst identische Frequenzgänge haben, die idealerweise nicht mehr als 1 dB voneinander abweichen. Dadurch lässt sich die Abweichung der Berechnung durch den DSP reduzieren. Die Gesamtlänge des Schalltunnels, also die Strecke, die der Schall zwischen Mikrofon und oberem Rand der Blende zurücklegt, sollte nicht länger sein als 5 mm und eine Resonanzfrequenz des Mikrofonkanals von 12 KHz nicht unterschreiten.

3. Mikrofon-Phase: Die Phasen der Mikrofone sollten möglichst nah beieinanderliegen, idealerweise bei ±5°. Dadurch reduziert sich die Abweichungszeit während der DSP-Berechnung und gewährleistet eine hohe Genauigkeit des Schalls und der Richtcharakteristik.

Akkustik Mikrofon
Bild 3: Design des Mikrofon-Gummihalters und der Blende. (Bild: Kingstate)

4. Abdichtung des Mikrofon-Gummihalters:

Ein weiterer Aspekt, der die Soundqualität verfälschen kann, ist die Abdichtung des Mikrofon-Gummihalters. Um zu verhindern, dass der Schall des internen Lautsprechers eines Geräts durch einen Spalt in den Schalltunnel des Mikrofons gelangt, müssen Gummihalter und Blende des Mikrofons nahtlos abgedichtet sein. Zudem sollte die Schalldämmung mindestens 20 dB SPL (Decibel Sound Pressure Level) betragen.

5. Positionierung und Stoßfestigkeit: Aufgrund der Verstärkung des Lautsprechers und der AEC-Signalverarbeitung des Mikrofons wird der Lautsprecher in der Regel in der Mitte des Geräts platziert. Das Mikrofon sollte sich möglichst weit vom Lautsprecher entfernt befinden. Damit es stoßfest und luftdicht ist, muss das Mikrofon mit Gummi abgedeckt sein. Gehäuse und Schraubenlöcher des Lautsprechers sollten mit einem Schaumstoff oder einer Gummihalterung gesichert werden, um Vibrationen zu vermeiden. Denn sonst empfängt das Mikrofon das THD- (Total Harmonic Distortion) Signal vom Lautsprecher, was die Qualität der AEC beeinträchtigt.

Mit diesen Richtlinien lassen sich zuverlässige akustische Designs realisieren – und dem Siegeszug der Smart Speaker steht nichts mehr im Wege. (prm)

Anne Santhakumar, Product Sales Manager Acoustic Components & Timing Devices bei Rutronik

Jeff Hsieh, Senior Manager of Acoustic R&D Dept. I, bei Kingstate Electronics

Sam Cheng, Director of Acoustic R&D Dept. II, bei Kingstate Electronics

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