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耳机麦克风市场突变,主动降噪专用麦克风成最新需求!

我爱音频网 10-14 18:54 关注

一、麦克风的应用介绍

TWS耳机主动降噪功能的普及也带动了降噪头戴耳机的发展,支持主动降噪功能的产品愈来愈多,正在朝向如耳机能通话一样的标准功能发展。而主动降噪效果最初所应用的产品也正是头戴耳机,并且由于头戴耳机体积可以容纳更多固件配置,以及包耳式的佩戴方式,使其更能发挥主动降噪的效果。

从我爱音频网近两年的头戴耳机拆解报告来看,实现主动降噪效果,主要是通过为耳机配备前后馈麦克风分别拾取环境噪音和耳机内噪音,协同降噪芯片运算,反方向发出抵消音波,其中降噪麦克风在中间起到了重要作用。

从拆解中发现,目前主动降噪耳机采用的麦克风单元主要分为ECM驻极体麦克风和MEMS硅麦,两种产品各有优缺点。

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驻极体麦克风使用了可保有永久电荷的驻极体物质,多数不需要再对电容供电。并且经过长时间的发展技术已经成熟,价格也相对便宜。缺点是体积偏大;不方便SMT需要有较长的引线连接,造成信号衰减;以及一致性差、灵敏度不稳定。

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MEMS硅麦一般都集成了前置放大器,甚至有些硅麦会集成模拟数字转换器,直接输出数字信号,成为数字麦克风。拥有体积小,可SMT、稳定性强等众多优点,缺点是价格相对较高。

目前由于智能音频技术的发展,麦克风已经成为了一款智能产品必不可少的固件,被应用到了耳机、智能音箱、智能音频眼镜等等产品上。随着技术的发展,尺寸和材质不断变小和多变。但由于主动降噪功能的普及,目前的普通麦克风已经无法满足人们对于降噪耳机产品降噪效果的需求。

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而近期索尼所推出的最新一代头戴耳机WH-1000XM4中采用了一颗来自于新港电子的头戴降噪耳机专用麦克风。相比普通麦克风,拥有一致性好,低频截止频率低、本底噪音好、灵敏度高等特点,被索尼多款降噪耳机产品采用。

二、为什么不同的耳机需要不同的麦克风?

一致性

1、普通的麦克风缺点

普通麦克风主要用于通话等场景,受限于通信网络的稳定性,常规对于麦克风的要求基本就是“听个响”,只要麦克风能正常工作,对方基本都能听到讲话,就算听不到,也必然是“你信号不好吧,要不换个地方?”就单纯的看麦克风的灵敏度的一致性,还有很多产品是使用的±3dB的规格的,更不用提对于相位的一致性了。

2、这个麦克风与普通的麦克风的区别

随着业内ANC项目做得越来越多,基本有这么一个共识:ANC产品的落地可以分为调试和量产两个阶段,第一阶段的调试,只要按照芯片平台推荐的物料规格进行选型及腔体设计,基本都能调出来相对不错的效果。而第二阶段的量产良率,才是最痛苦的一环。而这一环节最主要的问题就在于一致性,最完美的情况是量产来料和送样调试的一模一样,就像我们最可爱的人,就算是来一群,步履也都是相当一致。

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不过还好,随着硅麦的普及,麦克风一致性的问题得到了很好的解决,以前ECM一致性的核心技术只掌握在极少数厂商手中。硅麦基于半导体工艺,相比于ECM,在一致性上有天然的优势,所以在可以预见的未来,ECM的大部分市场将逐步被硅麦取代。当然,目前硅麦在包括SNR等性能上还做不到ECM那么高,所以ECM还是会在某些高端领域存在。

关于一致性的建议:

在麦克风器件供应商充分保证了来料一致性的情况下,为了保证生产中的一致性,建议麦克风组件设计上尽量模组化,确保上机的每一片模组都是良品,可以大大降低成品不良产生的高额成本。

低频和高频

1、普通的麦克风缺点

普通麦克风普遍不标注低于100Hz的低频频响曲线,如下图所示,因为此类适用于通话的产品普遍低频响应不好

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实际测试低频部分的曲线类似于如下,此类麦克风无法准确还原环境的低频噪音,相应的喇叭也不知道应该如何发出反向声波进行叠加抵消噪音了

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2、这个麦克风与普通的麦克风的区别

人耳常规能听到的频率范围在20H到20kHz,ANC耳机产品在设计的时候,

被动降噪可以有效地阻隔高频部分的声音,波长较长的低频这部分,由于穿透性较强,所以必须依靠主动降噪实现较好的效果。

因为需要最大程度地还原现场环境及耳道内人耳可听的噪音,所以低频部分需要确保20Hz也能很好地被采集,从而高端的产品会要求麦克风的低频截止频率低于15Hz(相较于1kHz灵敏度下跌小于1dB),如下图可以看到低频在20Hz的时候几乎没有任何的衰减。

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虽然算法上可以对麦克风收集的信号衰减部分进行相应补偿,但是最大程度地通过声学的方式解决无疑是最稳定的。

与低频频响曲线相对应的,还有另外一个很重要的概念,就是相位延迟问题,低频截止频率高的产品,相应的相位延迟也就更大,而不同频点的相位延迟是不一样的,针对每一个频点,无法采用统一的标准进行补偿,所以目前很多中低端产品,一定程度上是直接放弃了部分低频频段的降噪。

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相较于低频我们希望频响曲线越平越好,对于麦克风的高频,实际在调试的时候恰恰相反,如果可能的话,直接把中高频直接砍掉最好,因为虽然我们被动降噪把外界的高频给截胡了,但是麦克风在吸收环境噪音的时候,还是把高频部分给拾取了过来,但是高频因为本身波长短,主动降噪无法有效处理,喇叭发出的反向声波有可能反而放大了这一部分不该有的噪音,产生高频啸叫问题。

所以在这一点上,ECM相比于硅麦,在降噪的应用上有先天的优势,因为就像下图看到的那样,ECM的高频是往下掉的,硅麦的高频是往上翘的,所以在使用硅麦作为降噪麦克风的时候,往往会需要调用有限的滤波去压高频,相比较而言,ECM有更明显的声学优势,产品更加稳定。相信未来降噪芯片在麦克风的输入信号上可以有更多的可选项来适应周边器件的声学特性。

耳机麦克风市场突变,主动降噪专用麦克风成最新需求!

上图为常规硅麦频响,高频部分上翘

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上图为常规ECM麦克风频响曲线,高频部分下跌

SNR-噪音和灵敏度

1、普通麦克风的缺点

普通的麦克风普遍SNR比较低,得到的信号对于通话这种不追求音质的需求来讲,基本是足够了,但是对于ANC系统来讲,对环境噪音的还原要求,简直是极致的情况下,普通SNR的产品就无能为力了

2、这个麦克风与普通的麦克风的区别

信噪比其实是个相对概念,用下面的神仙姐姐看,图片上有我们想看的神仙姐姐,也有让我们无法完全看清的噪点,SNR高的让我们视觉得到的信号更清晰,SNR低的让我们能看清是神仙姐姐,但是那些讨厌的噪点总会让人看得不是很清楚,像在信号上蒙了一层面纱

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深究其根本,其实是本底噪音,本底噪音越好,对麦克风的输入信号处理起来空间更大,因为麦克风的输出本身也包含自己的噪音,DSP在对麦克风输入信号进行放大的同时,噪音也是对应的放大了,就像上面的神仙姐姐,本来蒙着面纱的放大之后,这层面纱显得更加明显了。所以高端头戴降噪产品在设计的时候都会选用SNR超过70甚至更高的ECM或者硅麦产品。

相对于本底噪音,和SNR还有一个相关的就是灵敏度,高端产品在开发设计的时候,最理想的状态就是麦克风的输入信号不进行任何增益调整直接使用,因为DSP接收的声音信号,除了麦克风本身的噪音,还有电路中的噪音。所以使用灵敏度高的麦克风一定程度上是优于灵敏度低的产品的。

所以我们看到中高端的TWS降噪耳机,基本都是用的底部进音的硅麦克风,因为相比于顶部进音的产品,灵敏度和SNR都是相对的要高不少的。而且由于硅麦产品的声学特性,常规底部进音的封装方式,随着MEMS设计及工艺的进步,SNR是可以逐步提升的,但是没有采用特殊封装工艺的顶部进音的产品,SNR只能原地踏步。所以从长远的角度看,建议客户优先采用底部进音的方式进行设计,从而产品可以跟着麦克风技术的进步保持产品的升级。

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AOP声学过载点

超过90dB的声音一定程度上会开始影响听力,人耳能承受的瞬态的声压在120dB, 我们在日常生活中很少能碰到超过120dB的声音,所以目前常规麦克风该参数超过120dB理论上就可以满足正常使用了。

就如下图中橘色曲线所示,不超过对应虚线内(假设该值为120dB)的声音,都能通过麦克风正常还原信号,但是在ANC降噪耳机系统的整个应用过程中,难免会存在某些瞬态声压超过120dB(如该声音实际对应紫色部分),此时如果麦克风的AOP只有120dB,那麦克风实际拾取的信号就如蓝色曲线所示,已经削顶失真了,此时降噪系统基于失真声源信号所发出的反向声波,必然不能真实地消除噪音。

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同时ANC降噪产品很多使用场景都是相对动态的,会有瞬态或者连续的高气压的情况产生,如户外风比较大或者地铁关门瞬间等,此类情况可能会让麦克风的振膜振幅过大,从而超过麦克风振膜线性变化范围,此时麦克风的输出信号就会失真,从而导致降噪系统不能正常工作。

所以从应用的角度,会期望麦克风的AOP能达到130dB。目前常规2718硅麦产品顶部进音的AOP普遍能达到130,但是底部进音的产品基本都在125左右。所以在产品选型的时候,考虑到灵敏度及SNR的重要性,常规设计都是尽量选用底部进音,毕竟降噪都调不好,AOP再高意义也不是特别大。而且麦克风技术一直都在进步,相信未来这些性能都能提升上来。

三、新港电子产品介绍

1、新港电子主动降噪特定的麦克风优点介绍

新港电子在ANC麦克风领域深耕十多年,积累了丰富的应用经验,拥有B&K及AP等专业声学测试设备,配合专业消音室,从而确保可以真实地测试到20Hz的频响、SNR及相位等ANC降噪产品关注的部分。

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在产品上不管是ECM还是硅麦,均能提供行业最前沿的ANC产品。目前针对高端头戴的ANC产品,已量产的ECM产品SNR高达74dB,同时也可提供SNR达70dB的硅麦产品。针对TWS+ANC应用的硅麦产品,2718尺寸SNR最高可达66dB,目前也是行业中已知的最高性能。

针对ANC的应用,深知客户量产不良率的苦,也可提供除麦克风单体外的额外增值服务,可以围绕麦克风产品提供线束或FPC等模组,从而确保客户上线的每一片麦克风均是合格品。

2、应用案例介绍

耳机麦克风市场突变,主动降噪专用麦克风成最新需求!

新港电子ECM ANC降噪麦克风除被索尼旗下所有降噪耳机产品采用外,还被拜亚动力、OPPO、爱奇艺、HiVi惠威、233621、Haylou嘿喽等旗下产品采用。新港电子MEMS硅麦产品也被应用到了许多品牌旗下的耳机产品上,包括华为、漫步者、Urbanista爱班、Linner聆耳、Anker等。

关于新港电子

新港电子有限公司成立于2001年9月1日,是一家电声产品专业制造商。主要从事声学、传感器等精密零组件、智能传输器件的研发、制造和服务,致力于为客户提供一流“元器件+半成品模组+整机”的整体解决方案。以前主要做日本及欧美市场,对于品质有着较高的要求,并重研发及新技术的投资。

新港电子08年开始给Sony供应ANC降噪麦克风,目前为止Sony的ANC耳机均采用新港电子产品。跟Sony合作的10多年积累了丰富的ANC应用的经验;17年打造的首款ANC降噪硅麦被华为Type-C降噪耳机CM-Q3采用。近年来,新港电子通过合作一流客户,逐渐形成了“小而精,精而优,优而强”的独有特点,现已成为业内高端、特殊性能电声器件供应商中的领先者。

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