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无线耳机方案设计开发

2020-03-22

无线耳机,顾名思义就是中间导线被电波所代替,将发射端与音频设备连接,通过发射端将电波传送到耳机中的接收端来实现信号传输的耳机。无线耳机由三个部分组成:第一部分是发射端,第二部分是接受器,第三部分是耳机部分,其中耳机部分的功能主要是用来将接收器传送来的电信号转化为声音再传到人的耳朵里。

无线耳机与有线耳机最大的区别就是,没有中间线缆替,在音质上并没有很大的差异。因此,无线耳机的发展历程基本上也是跟随通讯技术不断进步的过程。无线耳机的发展先后经历了FM调频、红外、2.4G、蓝牙几个阶段性的演变。在听觉品质、信号传输速度、传输带宽以及高质量视听设备的成本上,每一代技术都在提升。

一、无线耳机方案技术分类

1、FM无线耳机

FM全称Frequency Modulation,简称调频。用FM来指一般的调频广播(76-108MHz,在我国为87.5-108MHz、日本为76-90MHz),事实上FM也是一种调制方式,即使在短波范围内的27-30MHz之间。无线耳机最早就是采用FM技术,在耳机上装有FM接收电路,再由FM发射器将音频信号发射出去,形成信号的传输。这种原理的应用,也使此类耳机增加了一个收音机的功能。由于采用FM技术,所以信号的衍射性较强,使用距离可以远至70米。但由于FM最高22KHZ的采样率,致使其听觉性能较差,而且保密性不高并极易受到干扰,只能进行单向信号传输,低带宽的特点也导致无法集成无线耳麦,所以FM技术的这些缺点也使得此类耳机常定位于低端市场。市场上国产的FM无线耳机随处可见,主要还是应用于外语听力训练、外语测试等领域。

2、红外无线耳机

红外全称红外线,它是一种可以实现数据传输的电磁波。1800年,英国天文学家赫谢尔第一次发现了红外线。自然界的物体,当温度高于绝对温度(-273摄氏度)时,其表面就会向外辐射红外线。红外线也属于光波,因此除了强光外很少被外界干扰,这种稳定性的特点被广泛应用于早期无线传输,比如红外线无线鼠标、红外线键盘、手机遥控器等等。红外线传输是一种点对点传输,一般适用于成本较低、跨平台、点对点的高速数据连接的需要。在音频传输上,红外无线技术最大的优点在于带宽,可以将音频信号最大容量的传输,音质效果较好。

但红外线也存在许多缺点,首先点对点的传输方式就对发射端与接收端的对接角度有了限制。如果对接角度发生大的偏离,信号很可能无法接受。另外,红外的传输距离不是很长,一般的有效距离不超过10m。红外传输的发射功率较高,这使得无线耳机在更换电池或者充电上变的比较频繁。

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3、2.4GHz无线耳机

2.4GHz是一种工作频段,其频段介于2.405GHz-2.485GHz之间。他的频段属于国际免费通用频段,所以在2.4GHz频段下工作具有更大的使用范围与抗干扰能力。它的最大优势还在于数据传输速率,采用P2P协议,2.4GHz无线技术的理论传输速率可以达到2Mb/s,超出了1.4Mb/s的“CD级音质”的要求。另外,它基本上可以满足无损传输的标准,他的工作方式是双全工模式传输,这个优势使它具备了超强的抗干扰能力。2.4GHz无线技术成本较低,加上优越的性能被广泛应用于低端产品市场。

2.4GHz无线技术的成熟,也推动了2.4GHz无线耳机的发展。无线耳机的核心工作是处理音频信号,这种信号的传输通过无线的方式传导于音源与耳机之间。2.4GHz高速的数据传输能力及超强的抗干扰性决定了此类无线耳机优秀的音质与极好的稳定性。另外,采用2.4GHz技术消耗功率不高,也更加省电。随着互联网的普及,2.4GHz无线耳机的市场将更加具有潜力,是未来耳机发展的大趋势。

4、蓝牙无线耳机

蓝牙(Bluetooth)的名字由来于一位丹麦的国王哈拉尔蓝牙王,现取其“统一”的含义,而这种技术的创始人是爱立信公司,后来由蓝牙技术联盟订定技术标准。蓝牙同样是一种基于2.4GHz技术的无线传输协议,区别在于蓝牙采用的协议是IEEE802.15协议。在抗干扰方面,蓝牙技术有独特的解决方式,蓝牙特别使用了调频技术,即把频道分为诺干个调频信道,在连接时,无线电接收器按照一定的规律从一个信道跳到另一个信道,由于规律不同,很难被其他信号干扰。另外,蓝牙无线技术不需要固定的基础设施,使用十分方便。因此,它的应用十分广泛,可以无线连接手机、平板电脑、汽车音响、耳机、MP3播放器等多种设备。此外它最大的优势就是,蓝牙产品不再需要安装驱动程序软件。目前,此技术已经发展相当成熟,未来将向着小型化、低功率、低成本、安全、稳固、易于使用并具有即时联网功能的方向继续发展。

蓝牙技术因其低延时,低功耗高速率特性能实现高品质音乐传输,各式各样蓝牙耳机应运而生。蓝牙耳机最大的优势在于能实现高保真音乐播放,同时用户可以不用携带音频设备而在较大范围内随意移动,十分便利,因此应用空间极大。

5、几种无线耳机方案的对比

每一种技术都有各自的优势与不足,我们可以看出FM无线耳机抗干扰较差,但成本低;红外无线耳机耗电量大,有使用角度限制,但除强光其他干扰影响较小。以上两种类型无线耳机都属于早期技术的代表,由于技术门槛低,音质普遍较差,所以只能出现在低端市场。目前应用最广的就是蓝牙耳机,也就是现在的TWS真无线耳机,它高速的传输率和极佳的保密性使用户可以将耳机任意与带有蓝牙功能的其他娱乐设备相连接。无论是在办公室、卧室、客厅、还是在驾车,都可以随时实现即时连接。

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二、无线耳机的发展趋势

随着人们对生活质量要求的不断提高,人们对耳机的舒适度、材质、功能性有了更高的要求。耳机从诞生到现在,从最初简单的作为一个听歌工具,到现在成为人们日常交流、休闲娱乐的工具,耳机系列产品带来的用户体验也越来越高。

1、无线耳机的技术发展

在技术上,未来无线耳机的技术发展趋势将更多的集中在传输距离、续航时间、连接多元化上。此外,蓝牙技术的优势在于使用便利、稳定性较好,未来无线耳机的发展离不开蓝牙属性,这种技术不需要单独的发射机就可以和其他设备连接,使用更加便捷。

还有一种新技术完全颠覆了人们对于耳机的传统认知,它便是骨传导耳机。这种耳机只需要将耳塞贴近在耳朵的前部,它的原理是通过耳机对于面颊的震动将声音传输到人的听觉系统。当我们自己用两手捂住的耳朵说话时,我们可以听到自己的声音,也便是骨传导原理。这种技术的好处是可以避免长时间听歌对于耳膜的损伤,也可以听到耳机的传来的声音的同时,听到周围环境的声音,这种新技术可以使耳机佩戴更加方便、也更加安全。缺点是这种技术耗电量较大,在音质方面表现一般,相信随着技术的改善,这种耳机能够日臻完美,为消费者带来更佳的用户体验。

2、无线耳机的功能发展

在功能上,目前的主流无线耳机无非是播放、暂停、增大音量、减小音量、上一曲与下一曲等控制键。互联网的发展,有些产品已经实现与手机APP连接实现更多功能,这种软硬结合也是未来的发展大趋势。对于功能在耳机上的发展,是不是功能越多越好呢?答案肯定不是的,一些功能必须要基于用户的需求而来,通过分析用户的需求,行为方式与使用环境等,找出设计痛点,才能设计“好用、易用、宜用”的无线耳机产品。

3、无线耳机的外型趋势

在产品造型上,无线耳机与有线耳机并没有太大的区别,只是无线耳机省去了线材部分使其在造型上有了更大的设计空间。如果苹果手机是“潮玩物”、韩款衣服是“潮服饰”,广场舞是中国大妈的“潮街舞”,那么拥有一款造型别致、拉风的无线耳机就是人们在家里、宿舍、逛街、办公时的“潮饰品”。特别是年轻的群体,耳机逐步成为一种个性、品味、时尚的表现,甚至已经成为一种饰品,可以与不同的衣服进行搭配。耳机的造型设计也越来越重要,未来的无线耳机将呈现多样化、轻量化、便携化的特点。多样化可以摆脱主流、吸引更多的眼球;轻量化的设计便于出行、运动;便携化可以方便不用时进行收纳。在未来,时尚个性的外观设计将是在技术趋于“同质化”下,成为产品更大的卖点。

深圳蓝牙耳机方案设计

三、无线耳机的发声原理、结构、材质分析

无线耳机主要由三部分组成:一是发生源,二是是接收器,三是是耳机部分。除了线缆被电波代替以外,无线耳机在耳机部分结构上基本与有线耳机没有太大区别。其中耳机部分主要是由头带、左右发声单元、耳壳和耳罩或耳塞四个部分构成。耳机的发声原理与音箱的扬声器原理相似,都是将声音变化的电信号转换为声音信号,耳机也是扬声器的一种,属于电动扬声器。耳机在功能上就相当于一个个人音箱,但由于与人的耳朵接触最为“亲密”,在使用、佩戴上就有了更高的要求。

1、耳机的发声单元

无线耳机的发声原理就在其发声单元,也是技术含量最高的部件,其实最终发出声音的就是扬声器端。耳机依据换能原理,可以将其分为动圈式、动铁式、静电式及等磁式四种。

动圈式是最为常见的了,它的特点就是:成本低、效率高、高度耐用,能够承受大电流的输入。目前市场上近99%的产品都是采用这种原理,面对的消费群体主要是对音频要求不高的普通消费者。它的原理就是扬声器通过一个高强度的永磁体放出磁力,使周围布满磁感线,有一个缠绕线圈隔空依附于圆环形振膜上,并穿过永磁体。当有电流通过时,磁力与原磁场相互排斥或者吸引,发生震动。

动铁式的历史同样很久远,它的特点是体积小,可以让耳机更深入耳道。它的工作原理是通过永磁场中央一个叫做“平衡衔铁”的连接棒在磁力的作用下带动振膜发声。在音质方面,动铁单元颗的粒感更强,解析能力也十分优异。而动铁式为了弥补振膜的单位面积小,频响范围不足的缺点,很多产品进行了多单元设计。

静电式可以说是扬声器中的贵族,完全为音乐发烧友而设计。精致的造型、考究的工艺、完美的音质与昂贵的价格是这一系列耳机的普遍特点。其中以森海塞尔与奥菲斯最具代表性。它的原理是将导电体线圈直接电镀或印刷在薄薄的塑料膜上,置于强静电电场中,信号通过线圈的时候切割电场,带动振膜发声。在音质方面,静电式有着极尽完美的解析能力与高频的通透度,保真度高,最重要的是振膜非常轻,可以使声音更加细腻、瞬态响应更好,传递速度更快。但这种技术在低频方面表现一般,在高湿度的环境下容易发生不可逆的故障。

等磁式原理又称为平板式原理,有些类似于平面扬声器。它的音圈呈平面状,置于振膜内部,在振膜两侧分布有磁体并在磁场中产生振动。等磁体同样也有着近似的的大振动面积与音质,但振膜没有像静电式那样轻薄。此类耳机需要较大的功率与大电流,由于体积相对较大,并不适合长时间佩戴。

2、耳机头带

头带的功能是固定左右发声单元,我们常称为U型支架。根据佩戴方式,耳机有不同的形式,有头戴式、耳挂式和入耳式,而我们常说的U型支架一般特指头戴式耳机,多数入耳式与耳挂式没有头梁结构。头带起着重要的支撑作用,头带的结构及它与发声单元的链接方式直接决定了耳罩对于头部的作用力,也直接决定了耳机在佩戴时是否会舒适和牢靠。因此,头带两侧会有拉杆结构,内置铁片与滑道以适应不同的头型尺寸。还有一种头带设计可以自动贴合头部,叫做自适应头带,它是头带以两层布局,依靠滑动结构作为连接,在佩戴时用户无需刻意调节头梁的长度,随着佩戴过程自动根据人体头部尺寸进行长度调节,简便有效。

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3、耳罩

耳罩是头部与发声单元紧密接触的部件,我们有时候也称为耳套,它的功能不仅仅是保证佩戴的舒适,它还可以起到降噪和保护听力的作用。无线耳机的耳罩有三种样式:压在耳朵上的,称为压耳式耳罩;环形结构设计,可以将耳朵包裹在里面的,叫做绕耳式耳罩;最后一种是入耳式,我们也可以叫做耳塞式,可以深入耳道内部。

对于中高档耳机,耳罩至关重要,耳罩也是重要的声学结构构成部分。对于大型的耳罩,可以使耳朵与振膜拉开一段距离,在耳机与头部之间形成一个腔室,内部附有密闭垫圈,加上耳罩的材料可以吸收中频与高频,在一定程度上还能够增强低频,声音直接作用于耳廊,对音质的影响很大。

耳罩作为直接与人的耳朵接触的部件,对于耳罩的材质选择要充分考虑柔软与舒适。对于头戴式耳机,耳罩类型一般就是绕耳式与压耳式两种。头戴式耳罩的材质一般有海绵、绒布、皮质、硅胶四种。海绵耳罩成本低、透气性强,但很容易划损;绒布耳罩佩戴俱佳,但不耐脏;皮质耳罩有较好的质感、高档有格调,但透气性差,夏天佩戴体验性较差;硅胶耳罩柔软,清凉很适合夏天佩戴。

入耳式耳机所采用的耳罩一般有两类,即硅胶与海绵。硅胶耳罩可以是单节层也可以是多节层。单节硅胶是最为常见也最为普通的一种,通产都会有不同尺寸的耳罩配件便于更换,常见的有S、M、L、SS、LL几种尺寸。在质地上,也有软硬两种类型,柔软的佩戴更加舒适不会造成耳道过于强烈的异物感,但缺点是隔音性能较差,硬硅胶则牺牲掉了舒适感,但有较好的隔音效果。在单节硅胶耳罩中,还有一种特殊的类型,那就是索尼专有的哥伦比亚耳套,它采用彩色套管,耳罩选用柔软硅胶,在套管与耳罩之间填充一种泡沫硅质套,来弥补软硅胶在隔音效果上的缺陷。

4、耳壳

耳壳,是承载发声单元的壳体。头戴式无线耳机的耳壳一般都会有耳机的音量调节和开关控制按键,按键通常会高出耳壳面呈凸起状,可以方便用户进行盲操作。无线耳机的耳壳内侧一般就是耳罩部分了。除此之外,无线耳机的麦克风也常置于耳壳部上,有的完全隐藏在内部、有的半隐藏式,最常见的是传统耳机上的长条式麦克风,也有的麦克风集成于线控位于线缆部位。我们对于一款耳机最为直观的视觉认知就是来自于耳壳的设计。但是耳壳还有一个重要的功能,就是充当音箱的箱体角色。根据产品结构,耳壳又分为开放式、半开放式和封闭式三大类。

相比传统有线耳机,无线耳机在耳壳内部增加了无线通讯的器件,如解码电路、供电系统、电池等。如果是2.4G技术,还需要配置一个发射器,对于蓝牙耳机则可以省去这一元件,因为发射器已经被集成在了音源设备中。

总结

耳机作为一种便携、小巧的音频输出设备,逐步融入到现代生活之中。市场上,耳机的种类玲琅满目,佩戴方式也变化多样,有耳塞式、挂耳式、入耳式、头戴式;从结构功能上,有半开放式和封闭式.对于喜爱锻炼,又喜欢听一下音乐的运动一族来说,并不是所有类型的耳机都适合佩戴的。

在运动过程中,由于动作过大,往往耳机不易佩戴稳定,容易脱落。传统的有线耳机在运动过程中,线缆很容易与衣服发生摩擦与碰撞,产生令人烦躁的杂音。另外,线缆的来回摆动不利于运动者施展肢体动作。当夏季来临,运动产生大量汗渍也会影响耳机的佩戴舒适度。随着信息产业的发展,蓝牙等无线传输技术的应用,无线耳机逐渐成为市场的新宠。近些年来,未了满足运动时对耳机的要求,佩戴舒适、造型美观、小巧便携的运动型无线耳机逐渐流行于市场。运动型无线耳机作为一种流行运动文化娱乐消费,在未来国内市场具有巨大的消费市场。

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