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  • 数字时代的声音科学:从数学之父读懂华为最大音频实验室

    时间来到2022年,关于真无线耳机TWS的佩戴稳定性、是否有必要等质疑,已经不再是一个问题,反倒是“音质好坏”“不知道选哪个好”等主观性较强的顾虑,成为困扰声学厂商、移动终端厂商的焦点。

    对声音的感知和偏好,带有很强的个性色彩,这也使得大家对TWS耳机的价值判断莫衷一是,很容易陷入“索尼大法好”“水电比火电更好听”之类的玄学。个人喜好自然无需科学来定义,但TWS耳机这一品类要向前发展,却需要共识和标准,这就离不开定量、定性的科学方法。

    数字时代的声音科学:从数学之父读懂华为最大音频实验室

    (古希腊数学家毕达哥拉斯)

    对毕达哥拉斯来说,声音的愉悦感正是通过科学来定义的。英国作者迈克·戈德史密斯在《牛津通识课:声音》一书中写道:声学是最早的科学研究领域之一。早在公元前500年左右,毕达哥拉斯(Pythagoras) 听到铁匠们敲打铁锤时发出的声音,他称量了铁匠们所用锤子的重量,发现那些发出悦耳声音的锤子的重量之间是简单的倍数关系,八度音程是所有音程中最和谐的。TWS耳机要让消费者体验更好,满足降噪、音质、交互等全方位的需求,离不开严苛而精确的科学支撑。

    数字时代的声音科学:从数学之父读懂华为最大音频实验室

    近段时间,8月18日,华为音频领域迄今最大的实验室——上海音频实验室首次向媒体开放,阐述了华为音频从硬件、软件到无线高清传输的全链路式解决方案,原来一个华为TWS耳机从诞生到出厂,要在里面经历一关又一关的连环考验。

    沿着这段TWS耳机的科技之旅,很适合深入扒一扒华为在数字音频领域的技术“家底儿”,也能借此机会审视一下,TWS耳机究竟需要什么样的体系化能力。

    旅程第一站:科学的原点

    如前所说,科学是人类理解和感知声音的最佳标尺。大约4亿年前,当两栖动物在陆地上定居后,为了探测经由空气传导的声音,鼓膜和耳蜗就开始演化了,声音的出现甚至早于视觉,这是科学的原点。

    古希腊人在建筑结构上穷尽脑洞,公元前4世纪的埃皮达鲁斯剧院用石灰石制成座椅,用来吸收频率低于500赫兹的声音,降低观众窃窃私语的噪音。第一次世界大战,人们意识到高频声音能够作为声呐系统的一部分,才对它们产生了兴趣。第二次工业革命中,爱迪生发明了留声机,让录制好的音乐通过电声转换设备分享给了发烧友们,带动了音响艺术。到了1979年,索尼第一款磁带随身听TPS-L2亮相,便携式耳机随之进入市场。到了2016年AirPods问世,实现了双耳分离,也开启了TWS耳机的竞逐。

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    不难发现,耳机的发展与人类科技的进步、对音质永无止境的追求、享受音乐的需求逐渐大众化,有着直接的关系,沿着两个核心脉络向前演进:

    一是便携性。一方面,耳机的体积越来越小,1891年诞生的耳机是专为通信而打造的,使用时需要把重达几磅的耳机支在肩头,随着Walkman、iPod、手机等设备的普及,耳机凭借其小巧的体型、相比音响更友好的价格,成为欣赏音乐的主流设备,生产工艺也使得耳机体型越来越小,入耳式耳塞可以把声音灌入耳道。便携性的另一面,则体现在从有线到无线的演进,减少了连接线的束缚。上世纪曾诞生了以红外线作为传输的无线立体声耳机,但红外线发射的距离有限、范围有限,发射器和接收器装置也无法小型化,没能大范围普及。也曾出现过WiFi的无线耳机,但WiFi建设成本高,无法满足用户随时享受音乐的移动需求,同时配对复杂,换一个WiFi就要重新输入密码,十分繁琐。TWS耳机之所以成为无线耳机的主流解决方案,得益于蓝牙在带宽、功耗、连接稳定性等方面的优越性,加上智能手机的普及和无线化趋势,TWS耳机成为满足大众听觉体验的首选方案。

    二是音质。声学品牌率先开始投入耳机制造领域,1959年日本STAX公司推出了震惊世界的SR-1,无与伦比的细腻及低失真表现将同时代的动圈耳机抛后几个身位。1979年索尼进军耳机行业,“索尼大法”凭借音质吸引音乐发烧友流行世界。TWS耳机采用无线传输,摆脱了耳机线的束缚,在听觉体验上的技术难度也增加了。

    一方面,音质好要集成高素质的声学单元,这就对TWS耳机的设计和工艺提出了很高挑战,比如以音质为卖点的铁三角ATH-CKR7TW,采用DLC类钻石碳涂层振膜单元,在当时达到了很高的单元素质,也导致产品体积过大,佩戴舒适度不足。

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    此外,TWS耳机去掉了连接线,左右耳分离的特征虽然方便,但出现了连接稳定性低、区分主副耳、时延大等新问题,往往需要与手机等设备来协同优化,而很多TWS耳机厂商本身没有智能手机、可穿戴设备等产品线,无缝协同、降低延时、同步稳定性等方面与华为、三星等多品类厂商就略显逊色。比如三星Galaxy Buds搭配三星手机可以无缝连接,华为Freebuds Pro2与华为手机配合,支持高端蓝牙音频传输标准HWA和Hi-Res Audio Wireless双金标认证,加上耳机自带的四磁体13mm高质量动圈单元,音质表现自然更好。传统声学厂商的优势是长期的内容积累,比如索尼就提供“索尼精选”的包月收费服务,用户可以欣赏到超越CD的Hi-Res音源。

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    同时,TWS耳机靠近耳道,如果降噪、控制力做得不够好,用户为了听得更清楚而将音量开大,久而久之会对听力造成损害。“软件定义一切”的数字时代,主动降噪、高低频调校等来控制声音动态表现,需要软硬件结合的开发能力,传统声学厂商也未必能游刃有余,比如索尼WF-1000X作为首款具备主动降噪功能的TWS耳机,降噪效果却没能达到很多人预期的效果。

    综观耳机产品的变化可以发现,声学科技的进步,数字音频的发展,享受好音质的门槛不断降低等等,多重因素共同决定了耳机对于消费者的吸引力。未来,围绕TWS耳机的竞争还会更激烈,也说明创新开始进入深水区。主要表现在:浅层创新开始“内卷”,比如受限于新技术、新材料的突破周期,体积减无可减,开始在外观、器材上同质化竞争,几十元的TWS耳机都开始塞进动圈单元,新技术亮点不足,同时出现了“科技以换壳为本”的供应链式创新。而一些尚未解决的体验痛点,则需要深层创新来攻克,比如时延、音质、降噪等,让声音从“能听”到“好听”,不是孤立技术能解决的,需要编解码技术、音源、硬件、算法等综合发力。

    从这个角度看,华为上海音频实验室的出现恰逢其时,让我们沿着科学的路线图,去看看TWS耳机升级都需要哪些硬核科技作为后盾。

    旅程第二站:华为耳机的试炼场

    来自实验室的千锤百炼,对一款耳机来说或许有些吹毛求疵,却是消费者所喜闻乐见的。作为华为迄今面积最大的音频实验室,华为上海音频实验室对于一部TWS耳机来说,可能就是“试炼场”一般的存在,通过层层测试和考验来打造极致音频体验。

    一部TWS耳机会在华为上海音频实验室,要经历哪些难关?咱们用“云旅游”的方式来感受一下:

    首先来到“硬件创新实验室”。硬件创新的前提是有各种仪器设备来进行调试,华为为该实验室引入了各种研发、调试利器,为产品设计和用户体验提供保障。比如通过3D打印机,能够进行定制化的耳机形态打印,与人耳的贴合度更高。

    听觉体验与具体情境高度相关,在真实世界中或尽可能接近真实世界的环境中测试至关重要。产品设计完成之后,就要经历一系列场景化测试与检验了。华为上海音频实验室在场景化方面部署重兵,搭建了耳机通话实验室、耳机降噪实验室、车载场景实验室、可变混响场景实验室等多个细分实验室,以满足各种不同场景下的声音体验最优化。

    比如耳机通话,就是一个极为高频的使用场景。华为的耳机通话实验室十分“黑科技”,是一个尖劈设计的全消声实验室。在一座“悬空”于地面的房间,采用6面尖劈设计,本底噪声仅有9dBA,甚至超越了20dBA的人类听力极限——人走进入可以听到自己的“心跳”的声音。在这样的环境中,还摆放了8个扬声器及一个低音扬声器,最大程度地还原真人在不同环境下进行通话,包括安静的、有噪声的、高噪的、多人讲话等场景。可想而知,这个实验室对于噪声场景的还原以及耳机通话能力的调试也是极为优越的。

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    主动降噪是利用电子技术来是消除噪声,带来音质和听觉体验的明显提升。具体怎么降低噪声呢?“耳机降噪实验室”就是专业干这个的。同样是全消声实验室,耳机降噪实验室采用的是平板吸声技术,本底噪声只有10dBA,通过噪音信号采集、不断重放调试,通过科学严谨的环境,测试耳机的降噪能力,HUAWEI FreeBuds Pro 2的智慧动态降噪都是在这里进行调试的。

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    空间音频实验室的扬声器系统,可以营造出标准三维声环绕环境,模拟还原真实的生活场景,在这里对音乐、电影、有声书等音源进行反复调试,满足发烧友对声音的严苛要求。室内场景模拟实验,则用于对平板、PC、大屏、音响、家庭影院等产品在各种生活环境中的音乐播放效果的调测,满足用户在不同场景、不同空间大小中,混响差异带来的细致感受。

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    当然,效果好不好,最终还是要靠用户的真实感受和反馈来说话,用户测试是不可或缺的一环。在可变混响实验室,通过用户的主观体验观察与测试,将个性化的用户体验转变成一个个定量的科学数据,进而指导华为耳机产品的优化。在实验室的“采访间”内,用户对耳机的降噪舒适度、佩戴舒适度、通话等进行打分,帮助工程师进行更优产品体验的打磨。还有与专业医院测试仪器同精度的听损测试仪设备,可以准确检测出耳朵的听损程度,后续结合智能算法来优化听感、保护听觉健康。

    只有将科技产品带入不同情境、不同空间、不同体验之中,让多种技术能力的融合协同发挥到极致,才能打破TWS体验的天花板。

    旅程第三站:FreeBuds Pro 2的路标

    华为上海音频实验室能力如此强大,给出了怎样的产品答卷呢?FreeBuds Pro 2就是那枚经过了千锤百炼的TWS耳机,也成为引领行业科技创新方向的一个路标。

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    前面说到,深层创新需要多种技术的协同突破,而FreeBuds Pro 2耳机的音频体验,正是通过全链路能力来系统性输出。

    硬件架构创新:HUAWEI FreeBuds Pro 2的超感知原声双单元系统,创新性地采用了两个独立发声单元的声学架构:音单元采用11mm四磁体双磁路大动圈单元,磁通量更大,推动振膜的驱动力也会更大,从而让低音呈现更加浑厚有力,直入人心;高音单元采用微平板技术,音圈驱动面积占振膜全部面积的比例更大,与音源近似一致的瞬态响应速度,让听众能够听清楚音乐中的更多细节。很多音乐发烧友喜欢用“易推”“没推好”来判断耳机品质,其实就是耳机能不能快速反应,推出平衡的好的声音,这对耳机的驱动力、灵敏度都有很高的要求,HUAWEI FreeBuds Pro 2的架构创新,结合数字分频方案,让TWS耳机也有了媲美头戴HiFi耳机的音质。

    软件算法进步:“软件定义一切”在数字音频领域主要体现在降噪、音质上。主动降噪方面,华为基于耳机通话实验室自研了DNN深度神经网络通话降噪算法,对500+ 种类的噪音、上亿级的噪音数据量进行深度学习,让HUAWEI FreeBuds Pro能够定向拾取人声并加强,在高噪声和风噪场景,通话降噪效果大幅提升。音质提升方面,HUAWEI FreeBuds Pro 2搭载的三重听感优化算法,能够实时动态检测不同的耳道结构、佩戴状态以及音量大小,智能计算并优化全频段听音效果。

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    蓝牙编解码技术升级:很多消费者在升级耳机之后,发现听到的声音并没有很大的变化,这就要说到设备之外,另外两个决定听感的关键因素:

    一是音源,如果播放的是MP3这类有损压缩格式,那么设备再高级也很难达到高清效果,高解析度音源Hi-Res被认为音质超越CD,早在2018年,华为就率先提出了HWA(HiRes Wireless Audio)高音质蓝牙协定,并作为HWA联盟的发起方之一,投入大量资源来推动高清无线音频的发展,让用户能听到更优质的声音;

    二是传输,蓝牙音频传输过程要经历两次解码和一次解码,传统的编解码技术带宽不足,在传输高解析音频内容时会让声音劣化,造成音质损伤,以HUAWEI FreeBuds Pro 2为例,就结合华为自研L2HC及业界LDAC™双高清音频解码,减少无线传输的延迟及音质损伤,原本的声音是什么样,听到的就是什么样,获得了HWA及Hi-Res双金标认证,率先实现HarmonyOS及Android双生态高清音频传输。

    数字时代的声音科学:从数学之父读懂华为最大音频实验室

    可以看到,从硬件、软件到编解码技术的全链路式解决方案,让HUAWEI FreeBuds Pro 2劈开了深层创新的天花板,将TWS耳机的音质表现拉升到新的定义空间。

    下一站,聆听万物的未来

    TWS耳机的音质有那么重要,需要投入如此多的人力物力财力去钻研吗?回答这个问题前,或许我们可以回到一开始的科学原点,去思考一下数字时代声音对于个人来说意味着什么:

    一是新体验。万物互联时代必然是多感官的沉浸体验,互联网发展至今的几十年间,视觉体验得到了空前的提升,大量关于网页优化、算法推荐的新技术出现,已趋于饱和。人们需要处理大量视觉信息,注意力已经过载,更好的声音和更少的压缩可以让我们花费更少的精力来取得更高的工作效率。围绕听觉维度展开的体验竞争,将是接下来的重点。耳机把持着听觉入口这一战略位置,其体验自然至关重要。目前,华为音频技术,已经在大屏音响、平板PC和手机等产品上给消费者提供优质的音频体验。

    二是新场景。很多场景下听觉变得愈发重要,成为获取新增长的变量之一。比如车内,有一个测试,小朋友们在车上往往会没有安全感,导致家长不能专心驾驶,而科学家在车内加入了低频沉稳的声音,让小朋友情绪稳定,能够平稳地睡着。由此可见,车内声音是非常有价值但尚未被真正开发的难点,今天大部分汽车的车载音频设备还处于“能出声”的阶段,要达到享受声音、触碰人心的效果,还需要进一步创新。事实上,华为音频音效技术已经开始上车,结合车辆场景,让AITO汽车的乘客获得更好的沉浸感,试听感受到好评。

    更好的科技应学会主动开辟新道路,为人类的美好生活而服务,数字时代也呼唤着新的声学科技。

    而华为能够在声学科技上走得更远,以下几方面的原因是有目共睹的:

    1.长期投入的技术积淀。在研发上的持续投入是华为一直坚守的信念,华为在音频领域集合全球超过七大研发中心能力,超过500人的声学工程师团队,其中上海音频实验室的每个细分实验室投入都在百万以上,从HUAWEI FreeBuds Pro 2的表现可以看出,华为在音频方面的技术积累也开始转化为明显的产品优势。

    数字时代的声音科学:从数学之父读懂华为最大音频实验室

    2.对用户体验的重视。以用户为中心,在实验室中尽最大能力去提升用户体验,听取用户反馈,已经融入华为技术研发的基因之中。

    3.创新转化的工程能力。技术创新到产品成果的转化是一个环环相扣的过程,从实验室不难看出华为音频的精益求精和流程把控,最终打造出具有竞争力的产品力。

    在TWS耳机进入主流视野的第六年,或许我们真正需要的创新就是这样——理解并触摸用户的主观感受与渴求,同时要向科学与技术中去寻求解决方案。

    这是一条更艰难的创新之路,也是此后市场竞争的焦点所在,而华为又一次引领行业,倒逼TWS耳机进入新一轮良性进化。

    敢于向科技更深处探寻,这或许是华为存在的最重要的意义,也将触发下一段声音科技之旅。

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