TWS蓝牙耳机增长速度迅速崛起 应用领域逐步扩张

2022-01-25 17:11 来源:中国电子报

随着TWS蓝牙耳机在过去几年中以指数级的增长速度迅速崛起,主动降噪(ANC)技术开始被人们所关注,应用范围也日益广泛,从耳机等单点降噪,向汽车、家居等空间降噪领域扩展。比如近日特斯拉就在其新款Model S和Model X中加载了主动降低道路噪音的功能。不过,主动降噪技术特别是三维空间降噪,在实际应用当中仍然存在不少挑战,如克服路噪、风噪等干扰,改善消费体验,提升市场接受度,将是未来重要的发展方向。

单点加空间 应用领域逐步扩张

随着生活质量的改善,人们对外部宁静环境的需求越来越高。在国际卫生组织发布的一份世界听力报告中,听力损伤目前正影响着全球15亿人,其中4.3亿人有轻/中/重度的听力损伤。未来30年,该数字有可能增加1.5倍以上。

这是加装主动降噪功能的TWS蓝牙耳机受到青睐的重要原因之一。具备主动降噪技术的音响设备可以帮助人们避免遭受外界的干扰,改进听觉享受,同时也能降低噪音对听力的损害。根据IDC的数据,2021年TWS无线耳机的出货量将达到3.5亿副,同比增长50%左右,主动式降噪功能成为2021年的主流规格。预计2024年TWS无线耳机的市场规模将达到401.3亿美元。

主动降噪技术并不仅仅局限在耳机中使用,目前已开始向汽车、家居等新领域扩展。特斯拉就在其新款Model S和Model X中,加载了主动降低道路噪音的功能。Molex莫仕汽车解决方案业务部门副总裁兼总经理凯莉安·皮卡德表示:“随着快速向电气化车辆过渡,降低道路噪音将变得至关重要。”涵盖火车、飞机等公共交通领域,以及重型机械等非公路应用,对于降噪技术亦有兴趣。就汽车降噪这一市场来看,汽车行驶过程中的噪音来源主要可以分为发动引擎噪音、胎噪、路噪、风噪、空调噪声等几个主类。繁杂的道路噪音、风噪和汽车暖通空调噪声,以及低频声音,将干扰驾驶,增加驾驶员的负担。采用主动降噪技术可以避免安装昂贵且笨重的吸音材料,具有巨大的市场空间。

此外,主动降噪技术还被应用于室内。伴随对居住要求不断提高,针对窗外及家用电器运转噪声源,人们开始使用主动降噪控制室内噪声,改善声音环境。安声科技CEO刘益帆表示,家电领域市场盘子足够大、用户基数高、行业门槛相对较低,通过让消费者在购买家电产品的同时也能购买到新的降噪体验,是一个值得探索的方向。在家电领域,90%以上的噪音都来源于风与机械振动的噪音,可针对性地进行降噪产品开发。

不过,到目前为止,市场上空间降噪的应用仍然相对有限,主要落地比较成熟的也只是在汽车上,而且还主要是聚焦于汽车引擎层面,实际应用还需进一步的探索。

底噪或风噪 现实干扰依然频出

中科院声学研究所资料显示,主动降噪的原理是通过发出与噪声相位相反,频率、振幅相同的声波与噪声干涉实现相位抵消。也就是说,相对于传统的通过阻隔吸声的方式实现降噪,主动降噪可以利用麦克风侦听噪声声波,然后经过处理发出反向声波,使二者在传播过程中相互干涉抵消,进而将噪音中和。

这一技术原理在1933年被德国物理学家Paul Lueg提出。1989年,具备相关功能的产品首次被专业音响品牌BOSE量产,第一批用户是飞行员、机场地勤等长时间暴露在噪声环境中的人员。2000年,主动降噪逐渐进入民用市场。

就目前的情况来看,虽然相关应用市场的规模越来越大,但由于消费者的要求越来越高,主动降噪技术所面对的挑战也在增多。根据ADI中国产品事业部高级市场应用经理何源的介绍,当前影响主动降噪实现的干扰项有很多,包括底噪、风噪、冲击爆破声、负压感,以及个人使用习惯、产品量产效率等。

底噪可以理解为整个系统的综合噪声。底噪来源于声学器件的本底噪声,如芯片本身的电噪声、蓝牙发射的干扰、有线和无线器件的耦合,再加上降噪调试过程中有时会把噪声效果突出放大。这些情况如果处理不好,都有可能造成底噪问题。当消费者在一个相对安静的场景中打开主动降噪功能,有可能出现器件产生的噪声比环境噪声还大,降噪变成了增噪。

风噪也是一种常见且不易解决的问题。当用户在户外打开主动降噪功能时,由于有风刮进来,系统就会进行一定的处理。这些处理产生的噪声有可能会被放大,反而变得更加刺耳。在户外,风噪是很常见的场景,解决不好会很大程度影响用户体验。

主动降噪技术在空间降噪的实际应用中,效果有时也不理想。有报道反映,Model S在崎岖道路行驶中开启主动降噪功能,车厢内的环境噪音会有所降低,但效果并不是很明显。

Molex莫仕业务发展工程师Kurt Dekoski指出,基于车辆设计存在许多挑战,每个车辆都具有不同的声学性能,因此,降噪系统必需具备充足的适应性,针对个别车辆的声学变化进行校准。

传感与编解码 芯片发挥重要作用

从主动降噪的产业链观察,最底层当属负责信号输入输出的传感器,由它进行环境噪音的监测;第二层是信号处理芯片,分析噪音曲线,进行音频的编解码;再往上则是语义理解、智能交互的企业;最上层还有智能设备、数据运用等相关企业。在这个链条上,集成电路技术发挥着重要作用。

Kurt Dekoski就表示:“在推动ANC技术继续发展方面,芯片技术发挥着举足轻重的作用。”比如基于加速度计设计的道路降噪(RNC)传感器,可以安装在汽车底盘上,用于环境噪音的监测,以获得更加准确有效的数据,帮助消除有害的道路噪音、风噪和汽车暖通空调噪声及低频声音。“减少电子设备延迟的技术进步,一直是其中关键。考虑到轮胎声音到达驾驶员耳朵需要0.009 秒时间,因此,能够将数据从车轮附近的传感器传输到处理模块,计算消除信号并在车厢内广播是至关重要的。”

在谈到如何解决底噪问题时,何源表示:“我们需要从最底层、最根本的地方解决底噪问题,在模拟技术方面,要采用优秀的数模-模数(ADC-DAC)器件,以降低噪声。在数字技术方面,采用灵活的指令集,调整优化音频路径,从数字端降低噪声。”一款优质的ANC设备甚至要从系统级做起,在布板布线的时候就要考虑避免器件间的相互干扰。

风噪问题也可以通过硬解码的方式解决,比如加装硬件级别的检测模块,当感知到麦克风受到外部风的冲击时,立即开始进行动态的检测和调整,避免噪声的出现。这种实现方式是硬件级别的,实时性与低功耗都可以得到保证。

总之,更优质的听觉体验开始受到人们越来越高的关注,整个市场前景值得期待。但是,整个产业特别是空间降噪仍处于起步阶段,实际应用中出现的一系列干扰问题需要从业者一点一滴解决。(记者 陈炳欣)

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