真无线耳机挑战 AirPods 的新机遇:降噪

2019-08-20 19:20:00 38点赞 112收藏 36评论

真无线耳机挑战 AirPods 的新机遇:降噪

2019 真无线耳机发展划重点,降噪!这一次我们聊聊 TWS + ANC 主动降噪。

- shenzhenware -

    

在上一篇《2019 真无线耳机发展划重点:降噪、降噪,首先是通话降噪》的文章中,我们用一组预测数据说明了,真无线耳机(TWS)市场在苹果的引领下已经进入井喷阶段。

当年,苹果凭借 AirPods 这一款单品引爆市场,在不到一年的时间内就迅速占领半壁江山,时至今日,随着竞品一代又一代的推陈出新,苹果「头号玩家」的地位依旧未受到动摇。

尽管 AirPods 大受欢迎,它一直以来也有一点被诟病的地方——降噪不给力。因 AirPods 不具备降噪功能,在户外嘈杂的环境下,用户为了能听清音乐调大音量,这是常有的事情,体验也并不好。

许多音频厂商已经意识到,可以在这个方向挑战 AirPods,补充市场空缺。尽管苹果推出了 PowerBeats Pro 入耳式真无线耳机,但它事实上不具备降噪功能。换句话说,苹果没有在这个领域打造出一个标杆,也给同行保留了机遇。

真无线耳机挑战 AirPods 的新机遇:降噪

△ PowerBeats Pro

关于耳机降噪,我们先理清楚几个概念

在讨论 TWS 降噪技术之前,我们先结合实例来讨论被动降噪、主动降噪(ANC)这两个概念。

被动降噪:也称物理降噪,指利用物理特性将外部噪声与耳朵隔绝开。一般常见的头戴式耳机、入耳式耳机,即通过环绕耳朵的海绵(或带吸音材质)、贴合耳道耳廓的硅胶,都能达到降噪的目的。

半入耳式佩戴固然舒适(比如 AirPods),但在隔音效果上,与入耳式耳机、头戴式耳机对比,并没有先天优势可言。

真无线耳机挑战 AirPods 的新机遇:降噪

入耳式耳机的耳塞,就已经能够阻挡大部分环境音进入耳道内,效果参考你睡觉使用的纯物理耳塞。而头戴式耳机的密闭性就做得更绝,基本将整个耳朵罩住,甚至能隔绝一半左右的外界音。

真无线耳机挑战 AirPods 的新机遇:降噪

主动降噪(ANC):也就是目前耳机(包括有线、无线)普遍采用的降噪方式,通常由 Mic (麦克风)收集环境中的杂音、噪声,通过降噪系统产生与之相等的反向声波,对噪音进行叠加、中和。

目前,耳机 ANC 主动降噪实现的方式主要有,前馈降噪、反馈降噪和前馈+反馈的混合降噪,出于降噪效果、成本的考虑,厂商会选择不同方案。

真无线耳机挑战 AirPods 的新机遇:降噪

△ 索尼 WF-1000XM3 内部构件图:双反馈麦克风

多个 Mic 有益于提高拾音的精度。这也是为什么我们通常能看到 TWS 耳机身上 2 个或 2 个以上麦克风孔。在这方面,头戴式耳机在物理降噪上的先天优势(体积)也得到了发挥——耳机上有足够的空间放置数量更多的麦克风。

比如,鼎鼎有名的微软Surface Headphone 以及 Bose 最新的 Bose 700 身上都内置了 8 个麦克风,其中 6 个降噪麦克风,2 个收音麦克风,实现环境音降噪的同时,能够拾取佩戴者清晰的人声,从而实现唤醒语音助手或通话降噪。

真无线耳机挑战 AirPods 的新机遇:降噪

△ 微软Surface Headphone

让 TWS 耳机实现降噪:绕不开的功耗、体积

在 TWS 行业起步,厂商的主要关注点在于耳机与手机、主副耳机之间连接、通讯的稳定性,以及功耗上。如今,不管是消费者,还是产品厂商,都已经开始意识到降噪这个需求的存在。

目前 TWS 降噪技术需要综合考虑几点:有限的体积、续航、以及声学腔体设计。

TWS 身上的空间正所谓「寸土寸金」,相比能够插在手机/音乐播放器取电的有线耳机以及头戴式耳机,它要在如此小的腔体腾出空间塞下电池,且能塞下体积有限的声学元器件以及主芯片,实属不易。同时,施加的降噪算力对耳机续航也会是另一重考验。

另外,无论是有线耳机还是无线耳机,耳机腔体内的声学优化也对降噪、音质起到关键性作用。这里有一个案例:

今年年初发布的小米蓝牙耳机 Air,官宣具备 ANC 主动降噪功能,但一些媒体和玩家经实测后发现,它在地铁、飞机等刚需场景,起不到明显的降噪作用,只能应对日常的小杂音。业内人士分析,这款产品虽然采用了具有主动降噪功能的芯片,但在声学腔体设计上有瑕疵,导致实际降噪效果并不理想。

真无线耳机挑战 AirPods 的新机遇:降噪

△ 小米蓝牙耳机 Air:支持单双耳佩戴、降噪通话等多种功能,售价 399 元

虽然在市场现有的多款具有降噪功能的有线耳机、头戴式耳机身上,我们看到厂商已经具备了成熟的 ANC 解决方案。但是 ANC 技术在 TWS 之上的应用,还需要一个过渡阶段,「剪」掉降噪耳机的那根线并不是那么容易。

TWS + ANC:索尼大法好

2017 年,索尼发布首款无线降噪耳机「降噪豆」WF-1000X,也是业界第一款具备降噪功能的真无线耳机,引起不小的波澜。自此,索尼的 1000X 降噪系列已经集头戴式、颈挂式、TWS 三种形态的产品。

索尼在 WF-1000X 真无线耳机娇小机身(单个 6.8g)下集成降噪模块,开启先河。同时,为加强耳机降噪能力,索尼 WF-1000X 搭载 SENSE ENGINE 技术,以「搭便车」的形式结合手机传感器来识别环境音(需要搭配索尼 Headphones Connect APP 使用),在经内在算法处进行降噪处理,并且支持一键切换实现环境音功能。

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△ 索尼发布首款无线降噪耳机「降噪豆」WF-1000X

综合各媒体测评的反馈来看,索尼 WF-1000X 降噪效果自然不比头戴式耳机,但至少对比目前市面上的 TWS 来说已经「够用了」,但续航终究是硬伤——耳机续航仅有 3 小时,充电盒仅支持 2 次充电。

今年 7 月,索尼最新一代真无线降噪耳机 WF-1000XM3 亮相,承袭了索尼头戴式 WH-1000MX3 的降噪「基因」:耳机安置了全新的 HD 降噪处理器 QN1e,与配备的双反馈麦克风结合,形成了双侧主动降噪模式。同时,耳机还可自动检测用户活动状态,实现智能降噪。软件方面,WF-1000XM3 也继续支持 SENSE ENGINE 技术。 

真无线耳机挑战 AirPods 的新机遇:降噪

△ WF-1000XM3

其中,索尼 WF-1000XM3 内置  QN1e 是一颗独立芯片,与耳机主芯片(络达 AB155X)分离,主要负责跑降噪算法。

TWS + ANC:声学设计见功力

今年 6 月份上线的小鸟音响的 Libratone TRACK Air+ 是 TWS + ANC 降噪无线耳机的重要代表。

与索尼 WF-1000XM3 类似,TRACK Air+ 也同样是采用双芯片的方案,三个麦克 + 双芯片+ 加速度传感器 + 光学佩戴传感器的硬件组合,主芯片为高通最新的 QCC5100 系列,另一颗芯片为独立的数字主动降噪芯片。

真无线耳机挑战 AirPods 的新机遇:降噪

△ Libratone TRACK Air+

主动降噪,究其本质是声场控制问题,最终是通过声学抵消完成的。主动降噪哪家强,其实不仅仅是在比拼芯片和算法,还在比拼主动降噪方面的声学设计。

而声学设计,其中又包含了很多学问:喇叭单元的选择和声腔设计、麦克风的选择和声腔设计、喇叭与麦克风之间的声学设计......这些都将影响主动降噪的效果。

虽然各家都在出降噪芯片,但芯片更多的只是载体,真正的区别还取决于相关声学设计。「对于主动降噪,决定因素是声学设计的功力。」小鸟音响刘崧这样认为。

从实际的产品体验来看,不少媒体和玩家对于 TRACK Air+ 的降噪效果表现,给与了极高的评价。轨道圆腔体 + 三角金属结构件 + 极佳的贴合度,加上积累多年的自研的 CityMix smart 主动降噪算法 + 三麦克通话增强算法,跻身于目前 TWS 降噪队列的前列。

TWS + ANC:单芯片方案崭露头角

针对 TWS 耳机空间紧张这一客观事实,目前行业上已有单芯片解决方案,即将 ANC 功能与主控芯片(蓝牙芯片)集成在同一颗芯片当中,为 TWS 节省大量空间。

在两年前 TWS 爆发之际,国内 SoC芯片研发商恒玄科技(BES)就抓住降噪这一趋势,坚持单芯片的方向,将 ANC 技术集成在蓝牙芯片上。2018 年,BES 恒玄推出 BES2300 蓝牙 5.0 TWS 真无线耳机解决方案,也是一款 ANC 高级主动降噪和蓝牙音频一体化芯片。

今年初,华为最新一代的真无线耳机 FreeBuds 2 标准版即采用 BES 恒玄 BES2300  蓝牙音频芯片,通过耳机内仅有的一颗主控芯片,实现高性能的自适应环境降噪技术以及高音质,耳机本身并不具备主动降噪的功能。

真无线耳机挑战 AirPods 的新机遇:降噪

△ FreeBuds 2

我们知道,相比聚焦在单项技术的芯片厂家,SoC芯片厂商始终追求平台上集成更丰富的功能,整体最强的性能,综合最低的成本。

对于空间紧张的 TWS 来说,单颗芯片意味着更多的内部空间,能提供给声学器件和电池。也意味着整体更低的功耗,以及显著的成本整体优势。

在 TWS 之前,BES 恒玄科技过去也在华为、小米 type-C 降噪耳机提供集成在蓝牙芯片上的 ANC 方案,从另一个角度证明,单芯片ANC 是具有可行性的,也为 BES 恒玄 TWS 单芯片解决方案成功铺路。

真无线耳机挑战 AirPods 的新机遇:降噪

△ 499 元小米降噪项圈蓝牙耳机采用了单芯片的解决方案

TWS 降噪技术的新方向和未来

在介绍完 TWS 主动降噪在芯片上的实现方式后,我们接下来探讨几个 TWS 降噪需要权衡的问题以及新的技术方向,包括半入耳式耳机如何实现 ANC、降噪与佩戴舒适度、降噪与环境听音的权衡。

ams 艾迈斯半导体自动泄漏补偿算法(ALC):在半入耳式耳机上实现 ANC

类似 AirPods 这样半入耳式设计具有佩戴舒适的优点,适合长时间佩戴,但其非密闭结构往往容易通过空气漏入更多外界音。让许多消费者感到为难的是,佩戴舒适(入耳式)与降噪(入耳式),只能二选一。

半入耳式耳机做降噪的难点,不仅仅是物理形态导致的漏音,另外一点很重要的是,我们佩戴半入耳式耳塞容易松动,漏入的噪音不断发生变化,如增加主动降噪系统,需要实时检测噪音的泄露量,并且要做到主动降噪的及时检测、即时调整,这就会对算力提出更高的要求,从而给功耗带来不小的压力。

针对这一痛点,传感器解决方案供应商 ams 艾迈斯半导体,也是魅族、漫步者、FIIL  等多个音频品牌的产品背后的 ANC 降噪方案商,在今年初推出的自动泄漏补偿算法(ALC),成功实现半入耳式耳塞主动降噪(ANC)功能。其搭载 ALC 技术的解决方案 AS3460 于今年 6 月份推出。

先来说说 ALC 这项技术:基于 FTT 频谱分析,它可根据耳塞与用户耳朵之间的泄露实时调整参数,能够消除背景噪声,从而提高语音通话、音乐和媒体内容的音质。它还可以帮助侦测一些极端应用场景,比如耳塞脱离耳朵这种情况。

据官方介绍,ALC 降噪技术的降噪能力理论上能达到 40dB,超出市场领先的 30dB 水平。

真无线耳机挑战 AirPods 的新机遇:降噪


值得注意的是,AS3460 这次采用的是数字降噪的方案。相比以往的模拟电路,数字降噪是透过芯片内部 DSP 以及相关算法处理数字信号,无需复杂的外围模拟硬件电路,所需要内置的元件数量远少于模拟电路,占用更小的空间,有益于延长续航。

数字降噪:在声音播放过程中对噪声进行处理,降低噪音对声音播放的影响,只有听音乐的时候才能起到作用。

另外,AS3460 搭载自动场景预设即时环境噪声检测功能(APS),能够针对不同噪声场景(地铁、飞机、公交等)自动配对最佳滤波器,实时计算最佳降噪参数并平滑切换,带来自然的听感且没有 POP 噪声。

真无线耳机挑战 AirPods 的新机遇:降噪

△ AS3460 内部结构图:支持最多6个麦克风,同时支持前馈和反馈降噪,一颗芯片就可以做降噪

降噪与环境听音的权衡

一味的降噪,沉浸在音乐的世界中,也并不是消费者对降噪耳机的全部追求。尤其在轰鸣声四起的机舱、热闹的街道、以及在户外跑步等情景,用户在隔绝噪音的同时也往往有交谈、听取外部信号(车辆鸣笛等)的需求。

真无线耳机挑战 AirPods 的新机遇:降噪

为了取代手动摘下/戴上耳机这样的手动操作,耳机解决方案商、产品厂商也推出了对应的解决方案——利用入耳式耳机所具备的环境感知(环境音和人声)能力,将耳机的外部腔体与内部腔体联系起来,通过耳机内部人工阀门的结构,一开一闭实现开启/关闭降噪功能的效果。

目前市面上大多数产品是通过麦克风的电信号来接受外界声音,但这会额外增加功耗。

为兼顾功耗的需求,楼氏电子在今年推出升级方案——楼氏微型声学电控阀门,它是一项物理通道,所接受到的环境音没有经过二次放大处理,相比较麦克风的电信号来说,具有功耗小、没有延迟和失真等特点。

真无线耳机挑战 AirPods 的新机遇:降噪

降噪与佩戴舒适度

入耳式降噪耳机的实现,一方面来自耳塞的物理压力,另一方面来自 ANC 为抵消噪音施加的压力,都会对佩戴者耳朵带来不适感。

如何兼顾降噪和佩戴舒适度,是 TWS 降噪乃所有入耳式降噪耳机的一大技术难点,也是未来技术突破的一个重要方向。

在佩戴舒适度方面,业内的老行家 Bose 可谓是花了不少心思,不管是有线耳机、无线蓝牙耳机,还是头戴式耳机,都遵循人体工学的设计。比如其头戴耳机 Bose QC35 II、Bose 700 通过大空间耳罩、软硬度适中的垫圈材质,很大程度上解决夹耳感的问题。

在小型的蓝牙运动耳机方面,Bose 拥有独家的「鲨鱼鳍」设计,主要代表为 Bose 早期的蓝牙耳机 SoundTrue、SoundSport 以及知名的降噪耳机 QC30:耳塞式设计,柔软的硅胶能充满耳道,但又不会像入耳式耳塞般的压迫,同时,鲨鱼鳍形状的硅胶环能够顶在耳廓,不易松脱。

真无线耳机挑战 AirPods 的新机遇:降噪

目前,Bose 的真无线运动耳机 SoundSport Free 以及针对睡眠场景打造的 Noise-Masking Sleepbuds 也已经延续了「鲨鱼鳍」的设计。其中,Sleepbuds 由于功能单一,体积可以做到更小,满足睡眠对舒适度更严苛的要求。

真无线耳机挑战 AirPods 的新机遇:降噪

△ Bose 真无线运动耳机 SoundSport Free,不支持主动降噪

这里,我们顺便再把 Sleepbuds 单独拎出来提一下。事实上,Sleepbuds 不具备 ANC 主动降噪,而是通过被动降噪+播放睡眠音乐,同时将睡眠环境中的杂音(汽车鸣笛、鼾声、狗吠等)衔接和融入到音乐音轨当中,起到削弱、遮盖噪音的作用。

真无线耳机挑战 AirPods 的新机遇:降噪

△ Noise-Masking Sleepbuds

目前有一点稍微遗憾的是,Bose 知名 QC 降噪系列(头戴式、颈挂式)目前还缺一款具备 ANC 主动降噪的真无线耳机。不过我们相信 Bose 很快会给我们带来惊喜。

编者后记:

关于耳机降噪,需要探讨的远不止以上几点。也希望各位行业人士、耳机发烧友能畅所欲言,提出对 TWS 降噪技术的认识和见解,集思广益,为 TWS 降噪征途上提供新的灵感。


主笔:莱恩 / 深圳湾

审校:陈壹零 / 深圳湾

编辑:Bigger / 深圳湾


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