研发故事｜Warwick静电传感器

Warwick～

本文将讨论Warwick Acoustics如何通过使用最新材料以及Comsol的计算机模拟工具，设计一种全新类型的高端静电耳机传感器。这一高精度静电层压（HPEL）传感器的设计首次出现在屡获殊荣的Sonoma Model One中，这是世界上第一款采用HPEL音频传感器的耳机。此后，Warwick的HPEL技术运用到Warwick的所有静电耳机产品，并已扩展到汽车应用领域。

对于追求高保真音响的发烧友们，静电耳机提供了引人入胜的音乐体验。它们产生自然而通透的声音，相对于其他类型的耳机，在处理高分辨率音频源时，提供更高的清晰度、更低的失真和更宽的频响。

大多数静电扬声器的工作原理是在两个导电板之间的薄弹性膜上施加电荷。这充电的膜能够直接响应电信号，产生被我们的耳朵和大脑解释为音乐声波的效果，让我们感到愉悦和动容。

尽管静电扬声器在音质和精度方面表现出色，但价格通常较高，有时还容易受损，直到最近还主要是手工制造的，因为要求极高的机械精度。为满足对价格实惠且高质量的耳机的需求，Warwick设计了高精度静电层压（HPEL）传感器，这是一项基于超薄振膜和单一导电板而非一对导电板的专利技术。Warwick音频的起源可以追溯到英国的Warwick大学，这种仅0.7毫米厚的轻型层压材料，非常适合用于静电耳机。

图片显示了Warwick音频的HPEL传感器带（a）；网格面板（b）；组装（c）以及成品HPEL传感器的分解视图（d）。所有层压材料均在英国制造。

新的HPEL传感器通过半自动层压工艺制造出超薄膜结构。HPEL传感器由金属化聚丙烯薄膜、六边形单元的聚合物间隔器和导电网格组成"。

在典型设置中，直流（DC）偏置电压施加到弹性膜上，而交流（AC）驱动信号施加到周围的板上。Warwick的单侧扬声器包括将DC偏置和AC驱动信号施加到弹性膜上，同时将单根导线网格（板）放在与膜相对的位置作为面板。这种制造方法使得能够以远低于传统静电扬声器的成本来复制传感器。这也意味着静电扬声器首次成为商业上可行的高分辨率音频选项，适用于各种设备类型和市场细分。

模拟声学回放

为了开发既易于制造又不牺牲音质的传感器，Warwick音频团队对许多设计元素的影响进行了深入研究，直到最终确定了最佳设计。

Warwick音频技术（WAT）总经理兼Sonoma声学公司总经理Martin Roberts说：“我们开发了许多明显表现出色的原型。主要问题在于我们不确定个别材料和设计参数的变化如何影响传感器的性能。"

HPEL的动态性取决于振膜张力、交流信号电平、扬声器几何形状、弹性和介电材料特性、热声损失以及与振膜开放一侧相邻的空气的附加质量效应之间极为复杂的相互作用。设计师们希望通过减小低频滚降频率、减小失真并最大化在给定电气输入下的声压级来改善低音性能。但他们发现，对任何组件的微小更改都会极大地影响声学输出。

尽管Warwick音频在机械、电气和声学方面拥有丰富的专业知识，但他们没有内部模拟能力来帮助他们理解这种相互作用。为了对HPEL传感器设计进行虚拟优化，他们寻求了Xi Engineering的帮助，Xi Engineering是一家COMSOL认证顾问公司，专门从事计算建模、设计建议以及解决机械和其他技术领域中的噪声和振动问题。

Xi Engineering的技术总监Brett Marmo监督了他们用于分析HPEL行为的COMSOL Multiphysics软件模型的开发。COMSOL软件使Xi Engineering能够建立模型，以模拟HPEL的非线性效应，这些效应将随着HPEL不对称设计的修正而产生。

Marmo解释说：“我们保持早期模型简单，重点关注影响声音质量的具体因素。例如，尽可能保持第一谐波的低，以了解声学-结构相互作用以及HPEL在低频的性能。”他描述了他们的初步测试。“我们的模型显示了应用电压如何影响信号电平，这有助于我们了解初期情况下的声音失真。”

由于传感器是单侧的，静电力会随振膜振动的位置而变化，这个变化随着膜与网格之间的距离的平方减小而减小。一旦工程师们了解了由此产生的非线性失真并能够预测其影响，他们就可以采取电气方式来抵消与这些失真相关的任何问题。

完善HPEL传感器设计

在更广泛的模拟中，涉及结构-微机电系统-声学耦合，他研究了调整参数的影响，例如网格中六边形单元的大小、导线的厚度、振膜张力、振膜与网格之间的间距以及每个组件的材料特性。Marmo和他的同事还研究了不同DC偏置的影响，这通常会导致低频失真，并研究了板上的导电性，以确定某个区域的电压是否高于其他区域。然后，他们使用COMSOL研究了不同频率下振膜的热声损失和位移

模拟图显示了在5000 Hz时的声压级（热色表面）（a）和在频率域中以5250 Hz（b）解决的全耦合声学-微机电系统模型中的振膜位移（彩虹色表面）

“我们发现，这种类型的模型是唯一准确建模平面静电传感器的方法，”Marmo继续说道。“对于这种情况，汇总参数建模可以表征性能的有限方面，例如低频振幅响应。一个参数可能非常出色，但在其他地方可能会产生显著失真。多物理建模包括影响我们对声音感知的所有维度，例如时域响应和非线性失真。”

这些模拟使Warwick的工程师能够微调设计参数，以优化整体性能。最终，他们能够预测是什么导致了频率响应中的峰值，并使信号更加平滑，以获得更好的保真度。

Roberts说：“这对我们来说是一个巨大的成本和时间效益。我们从每周手工制作多个原型，到现在可以在软件中简单地设置新的原型。除了确定我们非常满意的最终设计之外，现在我们还可以轻松地根据客户的个人要求定制我们的传感器。”

Marmo的团队将每个模型与Warwick设计团队提供的物理测量进行了比较。WAT的CTO Dan Anagnos评论说：“模拟结果与物理测量非常接近。这可能是最令人兴奋的方面，看到模拟变为现实，知道它提供了传感器如何运作的准确图像给我们。”

模拟应用程序的自由和灵活性

随着建模结果得到验证并且Warwick对他们的设计感到满意，接下来的步骤是由Xi Engineering将Warwick纳入进一步的建模控制之中。COMSOL软件中的应用程序构建器使Marmo的团队能够从其模拟中构建应用程序并在线托管。

该应用程序的界面允许用户更改某些输入，以测试对各种参数的更改，如DC偏置、AC信号电平、频率范围和分辨率、材料特性、扬声器尺寸、导线网格形状和大小以及隔距位置（见照片3）。原始模型设置无法从应用程序中访问；相反，它允许用户在无需学习软件的情况下运行进一步的测试。

截图底部显示了Xi Engineering开发的应用程序，允许工程师更改与频率、电气输入、扬声器尺寸以及振膜、隔离器和导线网格的特性相关的参数。结果显示了不同情况下的声压级、振膜位移、不同DC偏置下的频率响应，以及模拟设计与实验结果的比较。

Marmo说：“通过提供模拟应用程序，我们使Warwick无需购买软件或指定经验丰富的用户。模拟应用程序使客户可以自行控制，因此他们无需为小的更改返回给我们，而可以测试他们想要的一切。这也使我们得以探索新的挑战，而不是在同一问题的变化上工作。”

Warwick也在采取相似的方法，将应用程序与他们自己的客户分享，这些公司希望找到最适合其特定耳机设计的HPEL传感器。

Roberts补充说：“Xi Engineering的团队非常出色。他们拥有深厚的专业知识，帮助我们理解了我们产品的复杂性。Xi为我们开发的直观应用程序是额外的好处。在不泄露任何知识产权的情况下，我们可以通过应用程序让我们自己的客户访问我们的设计，以便他们可以测试和将这项技术融入到他们自己的高端耳机中。”

Warwick HPEL静电系统

HPEL传感器由英国的Warwick音频技术有限公司独家制造。Warwick的HPEL传感器可供OEM和ODM进行许可，用于各种耳机和扬声器产品。

HPEL传感器是通过定制的半自动化工艺制造的，成品层压板组装到HPEL支撑框架或“卡匣”中。这意味着可以根据个别客户的需求轻松且相对便宜地定制。HPEL传感器可以根据尺寸（表面积）进行定制，可以形成几乎任何形状，包括圆形、椭圆形、矩形等，包括平面或曲面。可以容纳各种内部单元的尺寸和形状，可以根据特定要求模制各种电气终端方案，包括其集成的电路板。

HPEL传感器在最低频率（约10 Hz左右）到最高频率（50 kHz以上）都表现出线性性能，具有令人惊讶的宽动态范围。动态范围不是由系统能够播放多大声音来定义的，而是系统能够播放多安静的声音时仍然准确地分辨非常低水平的细节和信息来定义。这转化为动态范围底端的解析能力，由本底噪声和失真限制定义。动态也意味着系统可以多快地从非常安静的水平转变为非常响亮的水平，反之亦然-之间的过渡必须是“闪电般快速”和毫不费力的。

HPEL音频传感器使用一层薄（15μm）的柔性层压膜作为“前”格栅，固定在绝缘垫片（由Formex制成）的开放（单元）结构上。不锈钢网形成“背面”网格。当音频信号叠加在1350V直流偏置电压上时，由柔性“前”格栅形成的“鼓皮”会振动，产生声音。

由于具有分开的悬挂组件的非常大的振膜区域，HPEL传感器在谐波、互调和瞬态互调失真方面表现出卓越的性能，具有极低的时间域保真度，这是其15微米厚振膜和超低运动质量的结果。

HPEL传感器

声音再现系统的性能取决于其最薄弱的环节。因此，Warwick音频技术设计了HPEL专有的驱动电子设备，以实现两个目标：

无损高保真音频重现 - 确保电子电路具备卓越的音频性能，包括宽带和动态范围、低噪声和失真，以及必要的时域保真度，以实现高分辨率音频的无损重现，不会发生性能降级或妥协。

以最理想的方式为 HPEL传感器供电，并针对整个工作范围内的无功负载阻抗进行了全面优化。

要有效地驱动HPEL传感器，需要高度专业化的电子电路，它将提供高电荷电压或偏置电压，达到1350 VDC，并将音频信号放大到高电压 - 高达425 VPEAK - 覆盖HPEL的整个操作范围和负载阻抗变化。HPEL传感器的静电驱动原理基于在振膜上施加所需高直流电压以建立足够的静电电荷（也称为“激励”）。这个电荷构成了将振膜移动的静电力的基础。

Warwick首款采用完整HPEL技术的产品是Sonoma M1耳机系统，该系统首次亮相于2017年的Hi-End高端音响展会，与Merging Technologies的网络连接NADAC一同使用，用于DSD播放。

HPEL传感器呈现出与标准电动和平面磁体传感器大不相同的反应性负载阻抗。随着频率增加，阻抗以电容方式增加，特别是在高频（尤其是在20 kHz以上）。这意味着交流放大电路必须能够在低频时驱动非常高的电压摆幅，并在高频时提供高电流。Warwick的电路可以在负载接近短路（0 Ω）的高频情况下以超过145 VRMS的电压进行驱动，而不会发生削峰或失真。

这些驱动要求是通过最佳操作拓扑来实现的，用于音频重现，Warwick的HPEL驱动电子设备采用了分立晶体管输出级和高质量的精选无源元件。设计提供了各种配置，以满足便携、移动和低功耗应用，以及独立、家庭和录音室使用。

已组装的印刷电路板（PCB-A）为家用超高性能耳机和小型音箱提供了一站式解决方案。该电路板结合了具有非常低失真和宽带的分立FET A类放大器、定制的64位、双精度、定点DSP，以及从多通道32位/384 kHz AKM高级ADC转换的所有输入模拟信号，该ADC提供了超过120 dB的信噪比。

这就是Warwick音频的HPEL驱动电子设备PCB-A

无论输入信号格式如何，为了保证最高性能，设计采用了Crystek的超低相位噪声振荡器，工作频率为100 MHz，输出模拟信号使用了两个ESS Sabre 32位参考DAC芯片，每个芯片以单声道模式运行，以提供测量的129 dB信噪比。所有音频电路由Analog Devices的多级超低噪声、高电流线性稳压器供电。隔离电源调节级别用于模拟和数字部分以及高低电平电路级别。这些调节级别由定制的通用电压、外置开关模式电源单元供电，该电源单元能够在稳态条件下提供放大器设计的最大功率的约3.5倍。此外，该单元使用了固定高频切换器（工作频率超过85 kHz），以避免切换噪声进入音频带。该单元设计了改进的内部滤波以产生极低的噪声和纹波（<50 mVPP）

移动应用

Warwick的HPEL便携式驱动电子模块专为移动高分辨率音频重现而设计，低功耗和紧凑的设计至关重要，这些电子设备是公司的HPEL传感器在任何便携式应用中的另一种解决方案。这些驱动电子模块以小型化的“子板”模块形式设计，提供了一站式解决方案，适用于移动耳机、小型电池供电和无线音响、虚拟现实耳机，甚至是专业的OEM汽车、海洋和航空航天应用。

Warwick的HPEL便携式驱动电子模块可以从标准低电压直流电源或标准的3.7 VDC锂聚合物可充电电池驱动。

这些模块具有专为在小型设备中驱动HPEL而优化的分立放大器，可以配置为单声道、立体声或多声道，带或不带电源。超高效的设计在典型使用中消耗<250 mW，并在立体声耳机应用中提供8小时以上的续航时间，使用500 mAh电池。

模拟输入可配置以匹配任何低电平输入源，模块还具有预处理和多带参数均衡，以进行声音优化和从外部DSP进行自定义。

Warwick音频的HPEL便携式驱动电子模块是驱动公司的HPEL传感器的另一种解决方案。

Sonoma M1耳机系统

Warwick首次使用其完整的HPEL技术推出的产品是屡获殊荣的Sonoma M1耳机系统。该系统包括M1耳罩式耳机，这是世界上第一个使用HPEL音频传感器的耳机，以及专用的DAC和Energier放大电路电子设备。一个不能没有另一个，Sonoma销售完整的集成套装，包括与Straight Wire, Inc.合作设计的连接线材。在放大器端，插孔与放大器机箱电气隔离，而在耳机上，采用高精度自锁连接器以确保安全连接。线材中内置了一个感应环，运行到每个耳机杯，如果线材在放大器或耳机端断开，则放大器会自动关闭。

专用的耳机放大器具有USB 2.0和同轴S/PDIF数字输入，以及RCA（x2）插孔和3.5毫米立体声插孔模拟输入。USB 2.0输入接受所有高分辨率音频格式，最高达32位/384 kHz PCM和DSD通过DoP（DSD64/DSD128），而S/PDIF输入接受所有PCM格式，最高达24位/192 kHz。高电平的RCA输入以2.1 V（有效值）的最大输入信号工作，而低电平的3.5毫米插孔可接受最大850毫伏（有效值）的信号。

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