编辑 | 新沃投研 刘腾飞
声音作为自然界模拟信号的一种，是信息设备功能配置不可或缺的一环。电子产品为了完成音频的交互，其完整的声学系统包含三部分：①采集，主要由麦克风来实现。②处理，由各类音频IC或云端来实现，如ADC、DAC、音频编码器/解码器等。③播放，主要由音频放大器（属于音频IC）、扬声器来实现。其中最主要的元器件分别是麦克风、扬声器与音频IC。
TWS耳机不仅具备传统耳机的麦克风和受话器，同时由于是分离式独立运行，还需具备较复杂蓝牙与音频处理芯片。以Airpods Pro为例，双耳各搭载三个麦克风：外向式麦克风（波束成形麦克风）、内向式麦克风和通话麦克风（波束成形麦克风），同时还配以Cirrus Logic音频编解码器等音频IC。伴随TWS的爆发，声学器件产业迎来新的增长点。
图：电子产品声学系统
资料来源：中泰证券研究所
麦克风：从ECM到MEMS
麦克风是采集声音的关键器件，应用在从消费级到工业级各类电子设备里。麦克风于19世纪末伴随电话的发明而应运而生，从最初的液体麦克风和碳粒麦克风，到实用性更强的碳精电极麦克风，早期技术迭代迅速；后来很长一段时间内，ECM（驻极体麦克风）成为主流技术。20世纪末，随着楼氏电子发明MEMS麦克风，后者很快取代ECM的大部分应用场景，成为使用最广泛的麦克风。
MEMS与ECM均是电容式结构，原理类似，只不过MEMS麦克风采用了半导体制程的芯片结构，由一个MEMS芯片与一个ASIC专用集成芯片构成。与ECM相比，MEMS麦克风尺寸较小、灵敏度高、信噪比高，有着良好的RF及EMI抑制功能，同时与数字信号处理电路有着较好的适应性。制造方面，MEMS麦克风可以采用全自动SMT封装生产，效率大为提升，因此逐步替代ECM，在消费电子小型化浪潮下，成为行业主流。
图：MEMS麦克风结构由MEMS与ASIC两部分组成
资料来源：楼氏电子，中泰证券研究所
表：MEMS麦克风与ECM麦克风比较
资料来源：Digitimes，中泰证券研究所
MEMS麦克风轻薄化优势在智能手机时代被充分发挥，市场规模迅速扩大，而在智能手机之后，TWS耳机作为重要语音控制入口，麦克风搭载量也高于普通耳机，同时由于降噪等功能的引入，也需要麦克风参与实现，Airpods Pro为实现降噪功能，即多增加一枚外向式麦克风以拾取环境噪声。Yole预测，在无线耳机市场，MEMS麦克风出货量到2024年将达到13亿只，复合增速29%。整体MEMS麦克风市场在2005-2022年间保持复合增速达11.3%。与此同时ECM麦克风则呈缓慢下降趋势。
图：AirpodsPro每只耳机配备3枚麦克风
资料来源：苹果官网
音频IC：向高分辨率、高功能集成发展
在麦克风与扬声器之间，音频IC(编/解码器、接口IC、功放IC等)扮演关键角色。音频ICDAC、ADC、DSP、Codec等，涵盖模拟芯片、数字芯片及数模混合芯片，技术含量较高。音频IC功能在于音频模拟信号的读取与解调、模拟与数字信号之间的转换、音量与音质的调整等。早期模拟音频时代（1970s之前），音频IC以模拟IC为主，主要是音频放大器与AB类功放；往后数字音频时代（1980s-1990s），伴随大规模集成电路的发展，音频IC也逐步增加数字化芯片，如数字声音处理器、D类功放；到2000年之后的多媒体与高解析音频时代，数模混合IC、更复杂的DSP、DAC集成、更高分辨率的声音处理器使得音频IC市场更为丰富与繁杂。
图：音频IC在声学链中处于关键位置
资料来源：中泰证券研究所
发展趋势来看，音频IC以高采样率/分辨率、高功能集成为发展方向。高采样率/分辨率：高分辨率音源已是大势所趋，而忠实再现音源信息则需要音频IC的配合才能得以实现。早期CD音质标准确定的时候（1980s），采用的是16bit分辨率、采样率44.1kHz的音频数据格式，而目前高分辨率音频标准则一般采用24/32bit分辨率、采样率192kHZ甚至更高，可处理高分辨率音源的音频解码器以及与其音质相配的声音处理器成为必须。高功能集成：音频设备小型化轻量化的需求使得音频IC走向集成化。如罗姆半导体的音频SOC BM94803AEKU，把解码器、声音处理DSP、USB/SD解码器、MCU甚至是SDRAM都集成进去。集成SDRAM的作用是提前存储音频以实现低延迟与降低元器件之间的辐射噪声，以改善音质。
图：罗姆的高分辨率音频SOC
资料来源：中泰证券研究所
微型扬声器：单机需求量呈上升趋势
扬声器是声音传输的最后环节，也是音频系统最早被发明的环节。早在1860年代，第一个电扬声器就已经问世；到1950年代，扬声器结构基本稳定；进入2010年代，利用MEMS技术制造的扬声器开始被行业关注。
图：扬声器发展史
资料来源：Audiopixels，中泰证券研究
目前使用最广泛的是电动式扬声器，振动膜、音圈、永久磁铁、支架等组成。原理是利用电磁效应使固定磁铁磁化，带动附着在线圈上的薄膜向上和向下移动，并发出实际上可听见的声波。根据用途不同，电声行业内一般将输出功率较小、靠近人耳附近收听的器件称为受话器，远离人耳收听的器件称为扬声器。
图：扬声器结构图
资料来源：EdisonTech，中泰证券研究所
扬声器/受话器是消费电子的标准配置，单机使用量呈上升趋势。包括手机、笔记本电脑、耳机在内的消费电子产品，基本都配置有麦克风、扬声器或受话器，智能音箱等新兴应用搭载量更高。以手机为例，目前正发生从单扬声器到双扬声器配置的趋势，如苹果从iPhone 7开始采用双扬声器设计，安卓高端机型也已经逐步普及。随着单机使用量的上升，微型扬声器市场已经迎来较大的增量。
表：各类消费电子配置的声学器件概况
资料来源：中泰证券研究所
图：iPhone7开始采用双扬声器
资料来源：苹果官网
相对于麦克风和音频IC，微型扬声器的市场格局更为分散。全球主要的扬声器企业有瑞声科技（AAC）、韩国BSE以及我国A股上市公司等。
图：全球微型扬声器市场格局
资料来源：QY Research，中泰证券研究所
总 结
MEMS麦克风、音频IC以及微型扬声器是TWS耳机的核心组件。2019年整体TWS耳机销量预计将达到1.1亿台，其中Airpods 6000台、非Airpods TWS 5000台；市场预期2020年TWS耳机销量将达到约2亿台。在此预期下，TWS耳机的发展将给声学器件产业链带来较大的增长弹性。
