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TWS、智能音箱起量,声学器件迎来新机遇

2019-12-05
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从采集到播放,人类实现对声音的再生产。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。


电子产品中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。 



扬声器市场规模最大(约 91 亿美金),音频 IC 其次(约 34 亿美金), 麦克风市场最小(约 17 亿美金)。根据 Yole 的统计,2018 年整体声学器件市场共约 141 亿美金,其中扬声器市场占比约 65%、音频 IC 市场占比约 24%、麦克风市场占比约 12%。Yole 预计整体市场在 2024 年将 达到 208 亿美金,复合增速达到 6.6%。


智能手机则是声学器件下游最大的应用市场。由于智能手机的庞大体量, 目前是声学器件最大的应用市场。仅将麦克风、扬声器与受话器、音频编解码器纳入测算,一部低端智能手机声学器件单机价值量约 4 美金,旗舰智能手机声学器件单机价值量接近 10 美金。



TWS 耳机有望成为声学器件增长的新一极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,声学器件行业迎来新的增长点。



   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。



MEMS 麦克风伴随智能手机的普及而快速增长,智能音箱及 TWS 耳机进一步驱动行业成长。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,智能音箱成为又一麦克 风使用大户。智能音箱作为声控指令中枢,麦克风成为必备功能配件,围绕麦克风拾音也持续进行着技术迭代,如身份及语音识别、噪音及风声排除等;因为麦克风阵列的引入,数量上也大为增加。


苹果 HomePod与华为 Sound X 音箱均搭载了 6 枚 MEMS 麦克风。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,如前文所述,AirpodsPro 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。



据 Yole 预测,在智能音箱市场,MEMES 麦克风出货量在 2024 年预计达到 12 亿只,复合增速 13%;在无线耳机市场,MEMS 麦克风出货量将达到 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。



MEMS 麦克风市场参与者分为半导体厂商和声学精密器件厂商。MEMS麦克风由于导入半导体工艺,使得一些半导体厂商进入市场,典型的有意法半导体和英飞凌等。其中英飞凌在 MEMS 麦克风领域主要产品为MEMS 麦克风芯片,较少从事 MEMS 麦克风的封装和测试环节,主要作为第三方供应商为众多声学精密器件厂商提供 MEMS 麦克风芯片。


另一重要参与者是传统 ECM 声学器件厂商,如楼氏、歌尔股份、瑞声科技等,这些传统声学厂商业务广泛,主要产品除 MEMS 麦克风成品外,还包括其他声学器件、光学器件、精密设备等未采用 MEMS 技术的产品。根据 IHS Markit 的数据统计,2017 年全球 MEMS 麦克风出货量排名前五的厂商分别为楼氏、歌尔股份、瑞声科技、意法半导体、敏芯股份,前五名中已经有两名中国企业,其中歌尔已经位居第二。在MEMS 麦克风器件领域中国企业已经占据较高的市场份额。



   音频 IC:技术门槛最高,欧美半导体企业为主

 

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 IC DAC、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,市场参与者不多。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),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 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。



市场格局来看,专业音频 IC 企业与 SOC 芯片企业为主要参与者。行业参与者基本分为两类:一是如 Cirrus Logic、瑞昱与美信等分立芯片供应商,专注于音频领域,在高价值算法上持续深耕;二是像高通、海思与苹果等具备 SOC 能力的芯片设计商,则致力于将音频 IC 集成在应用处理器(AP)上。从市场份额来看,全球前三大音频 IC 供应商为 CirrusLogic(35%)、TI(18%)、高通(18%)。



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SOCBM94803AEKU,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。



   微型扬声器:历史最为悠久,格局最为分散


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。



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



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 iPhone 从 iPhone7 开始采用双扬声器设计,安卓中高端也已经逐步普及,手机微型扬声器市场迎来较大的增量。



微型扬声器竞争格局较为分散,歌尔成为全球龙头。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),歌尔股份、韩国 BSE 等,2018 年开始歌尔扬声器业务收入已经超过瑞声。



   声学器件增量测算领域:TWS 耳机与智能音箱


TWS 耳机与智能音箱是声学器件增量最大的新兴应用领域之一,本节对两大产品给声学器件带来的市场增量进行测算。


TWS 耳机:长期增量约 270 亿


以 Airpods 为例,耳机端包含 W1 主芯片、蓝牙、存储、控制等芯片, 也配备光学传感器、加速度计等传感器,声学器件则包括 Cirrus Logic 提供的音频解码器、歌尔通泡面哥的 MEMS 麦克风等。



测算假设:我们预估 Airpods 音频 IC ASP 约 20 元,MEMS 麦克风 ASP 约 6 元,随着 Pro 版降噪等功能增加,麦克风数量在提升,假设 2020 年麦克风 ASP 为 10元,2021 年后为 12 元保持不变;非 Airpods 类 TWS 耳机音频 IC ASP15 元,MEMS 麦克风 ASP 4 元,2021 年以后保持 6 元不变。销量方面,我们预计 Airpods 今年销量为 6500 万台,明年销量为 1 亿台,长期来看,年销量预计达到 iPhone 年销量约 2 亿台;非 Airpods 类 TWS 今年销量 5000 万台,长期来看年销量有望到 10 亿台, 以此作为测算依据。



测算结果:我们测算 2019 年 TWS MEMS 麦克风市场将达到 5.9 亿, 长期来看,MEMS 麦克风市场将达到 84 亿。TWS 音频 IC 市场今年将达到 20.5 亿,长期来看将到达 190 亿。两者合计长期市场规模将超过 270 亿元。


智能音箱声学器件增量测算 


以亚马逊 Echo 为例,里面涉及到的声学器件包括 TI 超低功耗立体声解码器、SNR 低压立体声模数转换器、麦克风(7 个)等。



测算假设:我们估算智能音箱市场 MEMS 麦克风 ASP 为 10 元,扬声器(非微型)ASP 为 30 元,音频 IC ASP 为 20 元;销量方面,根据 Strategy Analytics 的数据,2018 年全球智能音箱出货量达到 8610 万台,我们预计今年将达到 12000 万台,明后年保持 20%的增长。



测算结果:我们测算2019年智能音箱 MEMS麦克风市场将达到12亿, 扬声器市场将达到 36 亿,音频 IC 24 亿元。我们预计未来两年市场保持20%左右的增速。


TWS 耳机与智能音箱发展趋势良好,有望带动声学器件的销量,不过还有三点要注意的是:


1)TWS 渗透不及预期。虽然目前 TWS 行业发展较快,但是因为是新品类,无法确定最后其渗透率到达什么水平,有可能最后不及预期。


2)智能音箱渗透不及预期。智能音箱依靠功能新颖和基数低获得了较快的增长,若智能音箱功能得不到丰富或消费者对智能音箱失去兴趣,智能 音箱渗透率可能不及预期。


3)技术路径变革。声学器件增量靠新应用及音质提升,例如现有的精准拾音及降噪等功能很多依靠麦克风数量增加,若出现新的技术,量增加的逻辑将被打破。


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本文由芯师爷转载自中泰证券研究所《TWS 系列报告:声学器件产业迎来新机遇》--分析师刘翔、刘尚,仅供分享交流学习之用如有任何疑问,敬请与我们联系info@gsi24.com。

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