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中国声学Bass材料真正国产化突围之路还要多久?

发布日期:2022-08-09

  “技术和专利垄断不仅是半导体芯片、光刻机这些耳熟能详关键技术的专属标签”。而作为声学部件的关键材料-Bass声学材料同样是。目前,中国还没有高校进行系统性地基础研究,国内关于这方面的报道也几乎为零,国内企业也仅少数几家跟进研发。当苹果手机从iPhone 7开始使用来自新加坡楼氏研发的N’Bass虚拟后腔容积技术并垄断其关键声学材料时,华为、小米、OPPO等国内智能手机生产厂家仍在苦苦寻找国产Bass材料的供应商。BASS声学材料真正国产化还要多久?

  音箱填充材料技术发展三个阶段

  世界音箱声学填充材料的发展经历了三个阶段。

  第一阶段:吸音棉:早期音箱填充材料是发泡多孔材料和纤维多孔材料。主要作用之一就是作为吸音材料吸收、减弱对音质不利的驻波。理论上,箱内填充低容重、高比热多孔吸音棉,体积可以等效地增加40%,但实际增大15~25%的有效体积。吸音棉材料远远不能满足微型扬声器的产品开发需求。

  第二阶段,Thermo-Vapor和ACE。无论是发泡或纤维型吸音棉材料,其对箱体有效容积的增加不会超过40%,实际效果在15~25%之间。因此对扬声器音质,特别是低频改善效果有限。随着微型扬声器及音箱体积的进一步降低,这些材料在使用时就显得捉襟见肘。

  上世纪70年代,Eugene Czerwinski等获得一个两相(气/液)多孔囊专利。这是一种气态与液态物质的Thermo-Vapor模块。随后美国音箱品牌史云威格Cerwin-Vega在自家生产的音箱中率先使用了Thermo-Vapor材料包,但其有效性和长期稳定性一直饱受争议。2004年前后,英国KEF推出了采用活性碳为音箱填充材料Acoustic Compliance Enhancement ,ACE,这项技术使音箱体积虚拟增大了3倍,但活性炭也增加了内阻尼。在使用过程中,可导致电活性炭颗粒有从编织袋包装中漏出的风险,也可能造成扬声器系统短路,且活性炭本身材料特性也容易吸附VOC,常温常压难以脱附,其可靠性一直被人质疑。

  第三阶段,则为结合微型扬声器开发的BASS声学材料。

  BASS声学材料的历史和发展

  BASS材料最早起源于新加坡的楼氏公司。楼氏是新加坡一家助听器和微型扬声器的生产商。2012年它为移动设备微型扬声器推出了名为N’Bass虚拟后腔容积技术(N’Bass Virtual Back Volume Technology)用以改善消费类电子产品的低频音质。这种材料可以使扬声器后腔体积增大一倍,或者使音箱体积缩小50%而维持同样的声学性能。 N’Bass材料是由硅铝质量比大于200的多孔沸石微粒与聚合物粘接剂粘接而成的复合微球材料。其工作原理与ACF异曲同工,但可靠性和综合性能更为优异。。

  2018年,苹果参考N’Bass材料开发了一种外观具有蘑菇伞形态或者苹果形态的微粒音箱填充材料。这种材料增加了材料的比表面积,并减少了空气吸附-脱附的通路,对比N’Bass微球材料直径减少一半,并改善其声学性能,球体具有加倍的比表体积而利于空气的进入,保持中等水平的声学阻尼,从而获得了更好的声学性能,从而被广泛使用在微型扬声器上。

  中国BASS声学材料的专利之争

  Bass材料广泛运用在手机、智能音箱和车载音箱等行业。Bass在手机上应用市场有多大?我们来看一组数据:2021年,全球手机制造量超过14亿部,仅中国就达到10亿部。光是手机搭载的扬声器单元,Bass材料每年的用量至少超过20吨,而目前Bass在市场售价超过1.5-2万元/公斤。很有趣的是,Bass材料目前往往只能应用在3C产品的发声单元上,很难破圈。实际上智能音箱和车载音箱的用量大远超手机。像哈曼、华为汽车都一直密切关注着Bass材料。究其原因为--专利、专利、专利!

  Bass材料方面有100多项专利,其中涉及Bass材料本身最重要的是EP10173765.8 专利族(含欧洲、美国、中国的专利)。中国的分案CN201180040808.7、CN201510388020.5、CN201510388038.5和CN201910028743.2明确了Bass材料硅铝质量比大于200,剩下的专利质量不高。前三篇专利同属一个专利族,侧重保护Bass特点(沸石硅铝质量大于200),后一专利重保护Bass在微型扬声器中的应用。这些国外数10篇专利打包转移到中国国内北京一家科技企业后,又转移到江苏某特新材料。从本质上来说,这些专利,仍为国外专利。

  国内声学企业一直期待物美价廉的替代品来打破这个僵局。歌尔声学于2018年研发了自己的Bass材料,但因沸石原料硅铝质量比大于200存在专利侵权的风险而不得不停止使用。受制于专利问题,瑞声科技也不得不终止自主研发工作。苹果2018年也研发了自己的Bass材料,但仅用于自家产品。华为也想研发块状Bass材料,同时解决目前颗粒材料在扬声器实际生产过程中装配应用效率低下。但遗憾的是其技术和成本方案都不完善一直没有得到运用。这样就出现了一个很有趣的画面,这一系列专利构筑了Bass研发途中的壁垒,厂商不得不承受昂贵的材料成本带来的困惑。Bass核心专利中反复强调ZSM沸石硅铝质量比,这类材料制备常用的沸石原料是上世纪70年代美国Mobil公司研发的ZSM系列高硅铝比沸石,高度依靠供应商。

  2018年5月28日,领导在两院院士大会提到:“核心技术受制于人是最大的隐患,而核心技术是要不来、买不来、讨不来的,只有自力更生”。我们相信,破局者从来不缺!我们也相信,中国的声学材料研究者必将通过特殊技术手段另辟蹊径得到实现Bass声学材料的自主突破。避免出现类似芯片“掐脖子”现象发生。特别值得一提的事,2022年4月21日专利号CN103503476B,在长达9页的专利无效决定书中,被国家知识产权局宣布无效(决定号55207文,2022年4月21日)。