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原题目:TWS抢位赛再燃!反超苹果AirPods的五大“王牌手艺”

智器械(民众号:zhidxcom)

作者 | 韦世玮

编辑 | 漠影

一晃眼,苹果当下最新款TWS耳机——AirPods Pro已推出两年多了。

短短两年里,苹果TWS耳机的全球市场份额已从2019年的大半壁江山,下滑到2020年Q3的29%。

与此同时,从2019年至2020年,三星、华为、小米等玩家麋集推出多款TWS耳机,宣发密度一浪盖过一浪,种种玩法集成炫技。

TWS耳机市场却仍是苹果的天下。苹果凭什么?

不可否认,苹果AirPods Pro的自动降噪、通透模式、自动平衡三项手艺,不仅是引爆TWS耳机的要害,同时也为这一品类的市场生长开拓了一条新赛道。

据C *** ys最新展望,到2024年,全球TWS耳机出货量将从2020年的超2.5亿副增进至5亿副以上,2020年至2024年的年复合增进率达19.8%。

在这重大的市场背后,谁都不想让苹果成为唯一的赢家。若何加速超车从苹果手中抢下更多的蛋糕,也是每一个玩家入局市场的目的与野心。

而在这野心背后,玩家们又在摩拳擦掌准备若何追赶苹果?他们现在正在研发和创新的手艺、给耳机带来的功效转变,是否又能成为下一代创新的手艺趋势?

透过当下TWS耳机市场百花齐放的阶段,智器械也看到了玩家们正在起劲改变TWS耳机市场的5大手艺趋势,从要害零部件设计到封装手艺,再到性能的优化及创新,我们实验通过拆解这些手艺,挖掘其对市场生长带来的多种可能性。

一、动圈or动铁大乱斗,多发声单元提升音质体验

对许多耳机发烧友们来说,“听个响”的TWS耳机远不足以知足自己对音质的要求,抛开信息传输消耗的硬伤外,决议耳机音质优劣和气概的要害是耳机中的发声单元。

从传统音频产物上来说,耳机发声单元包罗动圈、动铁、圈铁和静电等。其中,动圈单元手艺的成熟度最高,它主要由线圈、振膜和磁体等组成,具有低频好、声场宽的优点。

只管动铁手艺的兴起较晚,其发声历程与动圈类似,都是靠线圈在永磁场中的震惊来发声,但动铁在组织原理、位置、声音与动圈有着较大区别,或者说在一定程度上“互补”。

例如,虽然动圈低频好、声场宽,但动圈的高频剖析不如动铁,动铁的灵敏度和剖析力比动圈更精彩。因此,动铁最初多用作助听器、监听耳机上的发声单元。

那么动圈和动铁两者优势就不能集成在一块吗?固然可以。

市场中有另一种名为“圈铁”的发声单元手艺,已逐渐成为各大HIFI厂商们青睐的解决方案。顾名思义,“圈铁”由动圈+动铁组成,兼得优越的崎岖音频剖析,也拥有不错的灵敏度。

海内声学手艺及语音交互创企声加科技创始人兼CEO邱锋海告诉智器械,由于现在大部门TWS耳机都追求音质的低频效果,加之ANC(自动降噪)对换能器有低频响应的需求,因此市场上多数TWS耳机都接纳动圈、圈铁或一个动圈+多个动铁的发声单元解决方案。例如,在一个动圈+一或多动铁的方案中,各发声单元卖力差异的频段。

另有一些较为偏门的解决方案,例如部门头戴式耳机遇接纳多个动圈单元,并放在差异的位置来模拟多通道输入,或制造围绕声等空间听觉的效果,“不少游戏耳机就接纳这样的设计”。

现阶段,包罗亚马逊、三星、万魔等在内的少数玩家,已最先实验集成双扬声器单元的方案来提升TWS耳机的音质效果。

例如,亚马逊首款TWS耳机Echo buds就接纳了楼氏电子的双动铁扬声器单元,三星今年1月推出的Gaxlaxy Buds Pro接纳了双动圈扬声器单元,万魔则是圈铁自动降噪解决方案(动铁单元+10mm动圈单元)。

总的来看,现在TWS耳机市场中接纳纯动铁单元的方案还较少。但在邱锋海看来,若是TWS耳机逐步朝着小型化的趋势生长,那么接纳纯动铁的解决方案是有需要的。

一方面,动铁不用设计后腔,同时其低频正在逐步改善,价钱也在下降,未来在市场中会有一席之地; 另一方面,若是厂商对playback(回放)品质有要求,圈铁也是个不错的选择,动圈单元在保持低频响应下,直径正逐步做小,但这对工艺要求也较高。

若是说对音质高保真的追求是耳机降生的初心,那么TWS耳机的生长,早晚有一天也要回归对音质水平的重视。

在这一条件下,通过动圈动铁连系的多扬声器单元方案来提高耳机崎岖频剖析的性能,也将是TWS耳机手艺生长的一大趋势。

二、AirPods Pro的黑科技首秀:空间音频

空间音频也叫围绕音频,简朴来说就是能让人对空间声源位置发生全空间立体感知,我们常常在电影院或家庭影院中感受到被声场笼罩、气势恢宏的效果就是空间音频。

苹果在2019年公布的AirPods Pro,以及2020年公布的AirPods Max就接纳了空间音频手艺。这对于耳机——尤其是TWS耳机来说,无疑是空间音频手艺的一大突破。

实际上,空间音频手艺已经生长多年,但它在耳机上的应用较少。

主要在于面向大空间环境的音响装备(音源)是牢固的,随着用户所处的位置发生转变,其获得的围绕声也有差异。这一场景下,空间音频手艺需要解决的主要是耳廓外的空间问题

而TWS耳机是直接将音频输入耳中,同时每个人耳廓内的空间结构远比耳廓外的空间要庞大,因此耳机的空间音频不仅要还原出差异位置声音从前后各方位到达用户耳朵的时间差,还要思量人体结构对声音造成的影响。

这就涉及到HRTF(Head-Related Transfer Function,头相关传递函数)。什么是HRTF?某视频平台up主“大宽物理”在其科普视频中提到:

“由于人体心理结构的关系,声波会在头部、耳廓、耳道等地方发生种种绕射和反射,相互滋扰并增强或削弱某些频率,以是就算音响的频响曲线(Frequency Response,量化音箱音染巨细的函数曲线)是平直的,其声音经由耳朵后,人类通过听觉系统感受到的频响曲线也不是平直的。工程师则将人类听觉的这一特征用函数来示意,也就是HRTF。”

因此,耳机的频响曲线需要做到不平直的,才气让人感觉到正确平衡的声音。现在行业中的音特美曲线、哈曼曲线等,都是差异玩家凭据人体听觉特征来制订的,但这些曲线也仍存在不足。

“大宽物理”提到,就算把耳机的频响曲线做成理论上的目的曲线,也纷歧定能准确还原声音,由于每个人的头、耳廓和耳道等心理结构差异,导致每个人的HTRF也差异,甚至头戴式耳机每次佩带方式的细微差异都市造成影响。

想要解决这一问题,就需要准确丈量出每个人的HTRF。但行业中传统丈量HTRF的方式不仅成本高,也无法解决头戴式耳机佩带方式差异造成的差异,更别说面向民众市场。

索尼在2019年曾展示了名为360 Reality Audio的空间音频手艺,但该手艺是基于“平均HRTF”来优化围绕声效果,并不支持丈量用户自身的HRTF和头部追踪。

那么,苹果的AirPods Pro和AirPods Max是若何准确丈量出HTRF,实现空间音频手艺的?这主要涉及两个方面——传感器/芯片、算法。

1、传感器/芯片:一面追踪搜集数据,一面提供算力

硬件方面,AirPods Pro和AirPods Max都内置了传感器和陀螺仪,对用户的头部举行追踪,同时还能实时追踪比对头部和装备间的运动数据,以更好地实现顺滑的围绕立体声。

在耳机发声单元前方,苹果还放置了一个麦克风,能够一边“听”用户正在听的音乐,一边网络音乐从用户耳道内反射出来的声音,以此探测用户耳机的佩带情形。

同时,苹果自研H1芯片能够以每秒200次的速率,凭据用户耳机佩带情形的转变对声音举行实时矫正。据称,一颗H1芯片的算力相当于一个iPhone 4手机。

这就意味着,不管用户在做什么导致耳机佩带情形转变,耳机都能随时为用户将声音调整到最“准确”的状态。

2、算法:为用户定制专属HRTF函数模子

传感器和陀螺仪卖力网络数据,H1芯片卖力为数据处置提供算力,那么耳机内部的算法是若何运行的呢?

实际上,苹果在2018年9月申请了一项名为《用于双耳声音再现的与头部相关的传递函数选择(Head related transfer function selection for binaural sound reproduction)》的专利。

该专利提到,苹果在耳机中内置了一个HRTF库,涵盖大量差异的HRTF模子。当用户在使用耳机时,盘算音频(Computational Audio)算法会通过机械学习手艺,将麦克风搜集到用户耳道内的声学特征与HRTF库中的模子做对比,并挑选出一个最适合用户的HRTF模子。

接下来,算法会基于用户特征对挑选出来的模子举行优化,最终获得属于用户的HRTF函数,这一方式大大削减了直接丈量HRTF函数会带来的伟大算力要求。

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此外“大宽物理”预测,苹果通过算法模拟出的多声道空间,可能也是行使从用户身上丈量到的专属HRTF函数,来对算法举行优化的。

不外,AirPods Max的空间音频效果要优于AirPods Pro,主要原因在于头戴式的Max能够同时丈量耳廓和耳道的HRTF,数据更为正确,而Pro只能丈量耳道内的HRTF函数。

同时,现在苹果的HRTF丈量仍存在一定的局限性。那就是这项手艺还只能丈量耳道和耳廓数据,无法丈量肩膀、头部等其他部位的HRTF数据,使得算法模拟出来的空间音频效果不够完善。

不外可以一定的是,从传感器到芯片再到算法,苹果这环环相扣的空间音频手艺手艺不仅能为用户“量身定制”独占的音频围绕体验,也为TWS耳机的手艺创新与生长提供了一个行之有效的门路。

三、多麦通话降噪是要害,解决大风噪场景是焦点

降噪是现在TWS耳机玩家们凶猛进攻想拿下的手艺高地,通话降噪是其中的一个主要赛道。

简朴来说,不管用户在何种场景下,通话降噪手艺都能让用户电话一头的人也能听清讲话内容,而不是种种嘈杂的噪音。

从手艺方面看,通话降噪的三大焦点手艺包罗Beamforming指向增强手艺、自顺应滤波手艺、上行骨传导手艺。

基于这三大手艺,各家厂商连系各自的算法和芯片等优势,为推出种种通话降噪解决方案“大打出手”。

现在,市场中主流的通话降噪方案包罗单麦克风、双麦克风阵列,以及依赖加速度传感器和耳内麦克风等器件来辅助实现的通话降噪方案。

此外,2020年也有越来越多的玩家推出了搭载三麦克风通话降噪解决方案的TWS耳机,包罗三星Galaxy Buds Pro、华为Freebuds Pro、小米Air2 Pro和OPPO Echo X等,而这都是这些玩家现在最新款的TWS耳机产物。

不难发现,现在市场中的TWS耳机通话降噪方案正逐渐朝着多麦克风降噪的偏向生长。

其中,三星Galaxy Buds Pro的通话降噪在内部硬件结构、软件、外部设计均举行了优化。内部搭载了一个拾音传感器(voice pickup sensor),以及三个麦克风(三麦克风通话+VPU语音拾音器)。

只要拾音传感器监测到声音,面向耳机嘴部的两个外部麦克风就举行波束成形,以抵消外部噪声。第三个麦克风仅关注用户的声音,这能在大幅度地降低外界噪音并放大用户声音。

而在形状设计方面,三星直接将耳机设计为贴合人耳内部的“豌豆”形状,削减直接与风接触的面积,另有耳机上的外网与内风室来配合涣散并削减风的影响。同时,三星还内置了高级软件来区分人声和风声,以确保就算有风接触,风声也不会进入麦克风。

海内玩家如华为,其Freebuds Pro耳机接纳三麦克风系统+骨声纹通话降噪手艺。其中,三麦克风系统的通话降噪工作方式与三星Galaxy Buds Pro大致相同,而骨声纹通话降噪手艺能够感应用户头部震惊,只拾取用户人声并举行增强。

不外,由于骨声纹通话降噪手艺的成本较高,现在只有苹果、三星和华为等玩家的部门高端TWS耳机上应用较多。

而小米、OPPO、荣耀和万魔推出的TWS耳机所接纳的三麦克风通话降噪方案,均来自声加科技。硬件结构方面,该三麦克通话降噪方案均内置反馈麦克风、前馈麦克风、通话麦克风,以更精准地拾取人声。

▲小米Air 2 Pro耳机搭载的声加科技三麦克风通话降噪算法

算法方面,邱锋海告诉智器械,该方案最主要的特点是将以往用在入耳式ANC耳机中举行自动降噪的单颗麦克风,用来举行通话降噪,能大大提升用户在大风噪(如骑车)和大噪声(如地铁)下的通话降噪体验。

不外,在多麦克风通话降噪手艺领域,麦克风是越多就越好吗?谜底为不完全是。

“麦克风器件增添的边际效用是递减的。”邱锋海解释道,器件的增添不仅需要更多的体积空间来放置,其整体效果也依赖耳机的物理结构设计,若是器件多了也会增添生产制造一致性的要求,造成良率下降,“以是照样要综合思量”。

四、名堂智能自动降噪,让耳机更智能地还你一份平静

同样是降噪,但智能自动降噪与通话降噪差异。

我们可以简朴理解为,通话降噪是让用户传输到电话另一头的声音加倍清晰真实,弱化外部环境噪音的滋扰,让电话另一头的人听得更爽;而自动降噪则是让用户自己听到的声音加倍清洁,降低差异场景中噪音的滋扰,让自己听得更爽。

只管苹果AirPods Pro点燃了TWS耳机自动降噪手艺的热潮,但在之后的一年多时间里,自动降噪手艺在各个玩家里都被玩出了百花齐放的态势。

尤其是“智能自动降噪”的方案泛起得越来越多,包罗三星、索尼、BOSE、华为等玩家推出的TWS耳机产物都具有这类功效。

从手艺方面看,ANC降噪的原理是通过麦克风采集环境中的噪音信号,同时内部发生一个反相的声波来抵消噪音信号。这不仅需要麦克风卖力噪音采集,还需要处置器来展望噪音泛起的情形。

那么,“智能自动降噪”的“智能”是怎么实现的?

据了解,为了保证前期抵消噪音信号的降噪质量,厂商还会在耳机中添加一个反馈麦克风来检测噪音是否变小了。同时,处置器还会凭据反馈麦克风丈量到的效果,对处置历程举行适当的调整优化,以到达最佳的降噪效果。

就类似于,学生在解完一道题后,还会频频检查这道题的解法是否有问题或有更好的解法,并不停提升自己的“解题”能力。而这,就是智能(自顺应)自动降噪的历程。

但详细对比下来,三星、索尼、BOSE和华为等玩家的智能自动降噪方案也有差异玩法。

例如,三星Galaxy Buds Pro的智能ANC,则通过麦克风和传感器的搭配,前者卖力检测用户声音、后者检测用户嘴巴的震惊,同时内置的AI算法会学习区分用户声音和其他人说话声。当耳机检测到用户最先与他人攀谈时,就会自动切换模式,让用户无需摘下耳机就能清晰与人攀谈。

而索尼WF-1000XM3的智能降噪功效,可以通过手机APP开启“自顺应声音控制”,不仅能自动检测用户的流动状态,还能自动为用户切换至预设的环境声和降噪方案。同时,它还提供了20级的环境声可控降噪,能定制多达20种环境声级别。

整体来看,智能自动降噪同样需要到前后反馈传感器、芯片和算法之间的相互配合。其中,芯片又分为集成自动降噪功效的TWS主控蓝牙芯片,以及专用降噪芯片。

各品牌厂商旗舰机型给出这些方案的体验差异各有千秋,但风噪场景下的显示最易被感知,差异显著,以是ANC的焦点重点仍集中在提升风噪场景下的降噪体验。

“现在风噪场景一定是ANC的最大痛点,解决好后才气对其他场景做得更仔细。”邱锋海谈到,降噪除了顺应环境外,还需顺应差异人的佩带,才气取得对照一致性的效果。

五、螺蛳壳里做道场,SiP封装是要害

实际上,不管是多发声单元的接纳,照样种种降噪手艺的生长,其背后的实现都离不开封装手艺的加持。

其中,结构精巧的SiP(System in Package)封装工艺就是能提高TWS耳机性能、加速生产制造的要害。

与其他封装手艺相比,SiP封装的优势在于能够在结构面积稳定的前提下,实现更多芯片和模组有机集成,从而提供加倍厚实的功效和壮大性能。

对TWS耳机来说,SiP封装工艺的3D堆叠特征,能够让耳机内部结构的各个组件基于人耳形状结构,还可实现更多功效芯片和模组的有机连系,以及提升耳机舒适度、贴合度及稳定性。

▲SiP封装的几种结构和解决方案示意图

据歌尔声学的相关讲述数据,SiP工艺的应用可以将部门TWS耳机的器件整体尺寸减小50%。

与此同时,邱锋海以为SiP工艺还能有效地珍爱IP。“在PCBA上,我们很容易看到内里用的是谁家的芯片、器件,但TWS耳机的焦点组件接纳SiP封装后,纵然被损坏也很难看到所有细节。”他说。

不外,SiP封装工艺也存在诸多难点,不仅涉及更庞大的布线、走线设计,还要战胜信号滋扰、散热、续航力等问题,整体系统的设计难度大于传统的TWS耳机封装。

现在,歌尔声学已为苹果AirPods系列的SiP封装代工多年,此外日月光、环旭电子也有相关的SiP封装解决方案。但业内仅有苹果AirPods Pro和三星Galaxy Buds Pro等少数玩家接纳SiP封装,普及度不高。

主要原因在于,TWS耳机仍处于玩家混战款式,每个玩家的设计都不相同,暂时并未泛起一种能相符各家要求的SiP设计。这就意味着,每个玩家开发系统时都需要重新设计SiP堆叠。

但随着TWS耳机市场的不停生长,以及玩家在封装手艺领域的不停探索,信赖SiP封装手艺也将成为未来高端TWS耳机产物,甚至是更多TWS耳机的标配。

结语:单点手艺突围下,综合体验抢跑才气拿下王者

为了在一片混战的TWS耳机市场中抢占高地,各赛道玩家前仆后继地结构市场,从硬件到软件展开了种种解决方案的创新和探索。

在这之中,我们也看到了多发声单元集成、空间音频、多麦克风通话降噪、智能自动降噪、SiP封装这五个要害手艺,对TWS耳机市场生长趋势发生环环相扣的影响,为TWS耳机每一阶段的创新积累履历。

但也要知道,仅仅靠一项强劲的单点手艺,或是漂亮的测试数据,并不意味着能打造出一个完善的TWS产物,只有提升综合性能和体验,才气为用户带来更好的TWS耳机体验。

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