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無線耳機方案設計開發

2020-03-22

無線耳機,顧名思義就是中間導線被電波所代替,將發射端與音頻設備連接,通過發射端將電波傳送到耳機中的接收端來實現信號傳輸的耳機。無線耳機由三個部分組成:第一部分是發射端,第二部分是接受器,第三部分是耳機部分,其中耳機部分的功能主要是用來將接收器傳送來的電信號轉化為聲音再傳到人的耳朵里。

無線耳機與有線耳機最大的區別就是,沒有中間線纜替,在音質上并沒有很大的差異。因此,無線耳機的發展歷程基本上也是跟隨通訊技術不斷進步的過程。無線耳機的發展先后經歷了FM調頻、紅外、2.4G、藍牙幾個階段性的演變。在聽覺品質、信號傳輸速度、傳輸帶寬以及高質量視聽設備的成本上,每一代技術都在提升。

一、無線耳機方案技術分類

1、FM無線耳機

FM全稱Frequency Modulation,簡稱調頻。用FM來指一般的調頻廣播(76-108MHz,在我國為87.5-108MHz、日本為76-90MHz),事實上FM也是一種調制方式,即使在短波范圍內的27-30MHz之間。無線耳機最早就是采用FM技術,在耳機上裝有FM接收電路,再由FM發射器將音頻信號發射出去,形成信號的傳輸。這種原理的應用,也使此類耳機增加了一個收音機的功能。由于采用FM技術,所以信號的衍射性較強,使用距離可以遠至70米。但由于FM最高22KHZ的采樣率,致使其聽覺性能較差,而且保密性不高并極易受到干擾,只能進行單向信號傳輸,低帶寬的特點也導致無法集成無線耳麥,所以FM技術的這些缺點也使得此類耳機常定位于低端市場。市場上國產的FM無線耳機隨處可見,主要還是應用于外語聽力訓練、外語測試等領域。

2、紅外無線耳機

紅外全稱紅外線,它是一種可以實現數據傳輸的電磁波。1800年,英國天文學家赫謝爾第一次發現了紅外線。自然界的物體,當溫度高于絕對溫度(-273攝氏度)時,其表面就會向外輻射紅外線。紅外線也屬于光波,因此除了強光外很少被外界干擾,這種穩定性的特點被廣泛應用于早期無線傳輸,比如紅外線無線鼠標、紅外線鍵盤、手機遙控器等等。紅外線傳輸是一種點對點傳輸,一般適用于成本較低、跨平臺、點對點的高速數據連接的需要。在音頻傳輸上,紅外無線技術最大的優點在于帶寬,可以將音頻信號最大容量的傳輸,音質效果較好。

但紅外線也存在許多缺點,首先點對點的傳輸方式就對發射端與接收端的對接角度有了限制。如果對接角度發生大的偏離,信號很可能無法接受。另外,紅外的傳輸距離不是很長,一般的有效距離不超過10m。紅外傳輸的發射功率較高,這使得無線耳機在更換電池或者充電上變的比較頻繁。

深圳無線耳機方案開發公司

3、2.4GHz無線耳機

2.4GHz是一種工作頻段,其頻段介于2.405GHz-2.485GHz之間。他的頻段屬于國際免費通用頻段,所以在2.4GHz頻段下工作具有更大的使用范圍與抗干擾能力。它的最大優勢還在于數據傳輸速率,采用P2P協議,2.4GHz無線技術的理論傳輸速率可以達到2Mb/s,超出了1.4Mb/s的“CD級音質”的要求。另外,它基本上可以滿足無損傳輸的標準,他的工作方式是雙全工模式傳輸,這個優勢使它具備了超強的抗干擾能力。2.4GHz無線技術成本較低,加上優越的性能被廣泛應用于低端產品市場。

2.4GHz無線技術的成熟,也推動了2.4GHz無線耳機的發展。無線耳機的核心工作是處理音頻信號,這種信號的傳輸通過無線的方式傳導于音源與耳機之間。2.4GHz高速的數據傳輸能力及超強的抗干擾性決定了此類無線耳機優秀的音質與極好的穩定性。另外,采用2.4GHz技術消耗功率不高,也更加省電。隨著互聯網的普及,2.4GHz無線耳機的市場將更加具有潛力,是未來耳機發展的大趨勢。

4、藍牙無線耳機

藍牙(Bluetooth)的名字由來于一位丹麥的國王哈拉爾藍牙王,現取其“統一”的含義,而這種技術的創始人是愛立信公司,后來由藍牙技術聯盟訂定技術標準。藍牙同樣是一種基于2.4GHz技術的無線傳輸協議,區別在于藍牙采用的協議是IEEE802.15協議。在抗干擾方面,藍牙技術有獨特的解決方式,藍牙特別使用了調頻技術,即把頻道分為諾干個調頻信道,在連接時,無線電接收器按照一定的規律從一個信道跳到另一個信道,由于規律不同,很難被其他信號干擾。另外,藍牙無線技術不需要固定的基礎設施,使用十分方便。因此,它的應用十分廣泛,可以無線連接手機、平板電腦、汽車音響、耳機、MP3播放器等多種設備。此外它最大的優勢就是,藍牙產品不再需要安裝驅動程序軟件。目前,此技術已經發展相當成熟,未來將向著小型化、低功率、低成本、安全、穩固、易于使用并具有即時聯網功能的方向繼續發展。

藍牙技術因其低延時,低功耗高速率特性能實現高品質音樂傳輸,各式各樣藍牙耳機應運而生。藍牙耳機最大的優勢在于能實現高保真音樂播放,同時用戶可以不用攜帶音頻設備而在較大范圍內隨意移動,十分便利,因此應用空間極大。

5、幾種無線耳機方案的對比

每一種技術都有各自的優勢與不足,我們可以看出FM無線耳機抗干擾較差,但成本低;紅外無線耳機耗電量大,有使用角度限制,但除強光其他干擾影響較小。以上兩種類型無線耳機都屬于早期技術的代表,由于技術門檻低,音質普遍較差,所以只能出現在低端市場。目前應用最廣的就是藍牙耳機,也就是現在的TWS真無線耳機,它高速的傳輸率和極佳的保密性使用戶可以將耳機任意與帶有藍牙功能的其他娛樂設備相連接。無論是在辦公室、臥室、客廳、還是在駕車,都可以隨時實現即時連接。

TWS耳機設計開發

二、無線耳機的發展趨勢

隨著人們對生活質量要求的不斷提高,人們對耳機的舒適度、材質、功能性有了更高的要求。耳機從誕生到現在,從最初簡單的作為一個聽歌工具,到現在成為人們日常交流、休閑娛樂的工具,耳機系列產品帶來的用戶體驗也越來越高。

1、無線耳機的技術發展

在技術上,未來無線耳機的技術發展趨勢將更多的集中在傳輸距離、續航時間、連接多元化上。此外,藍牙技術的優勢在于使用便利、穩定性較好,未來無線耳機的發展離不開藍牙屬性,這種技術不需要單獨的發射機就可以和其他設備連接,使用更加便捷。

還有一種新技術完全顛覆了人們對于耳機的傳統認知,它便是骨傳導耳機。這種耳機只需要將耳塞貼近在耳朵的前部,它的原理是通過耳機對于面頰的震動將聲音傳輸到人的聽覺系統。當我們自己用兩手捂住的耳朵說話時,我們可以聽到自己的聲音,也便是骨傳導原理。這種技術的好處是可以避免長時間聽歌對于耳膜的損傷,也可以聽到耳機的傳來的聲音的同時,聽到周圍環境的聲音,這種新技術可以使耳機佩戴更加方便、也更加安全。缺點是這種技術耗電量較大,在音質方面表現一般,相信隨著技術的改善,這種耳機能夠日臻完美,為消費者帶來更佳的用戶體驗。

2、無線耳機的功能發展

在功能上,目前的主流無線耳機無非是播放、暫停、增大音量、減小音量、上一曲與下一曲等控制鍵。互聯網的發展,有些產品已經實現與手機APP連接實現更多功能,這種軟硬結合也是未來的發展大趨勢。對于功能在耳機上的發展,是不是功能越多越好呢?答案肯定不是的,一些功能必須要基于用戶的需求而來,通過分析用戶的需求,行為方式與使用環境等,找出設計痛點,才能設計“好用、易用、宜用”的無線耳機產品。

3、無線耳機的外型趨勢

在產品造型上,無線耳機與有線耳機并沒有太大的區別,只是無線耳機省去了線材部分使其在造型上有了更大的設計空間。如果蘋果手機是“潮玩物”、韓款衣服是“潮服飾”,廣場舞是中國大媽的“潮街舞”,那么擁有一款造型別致、拉風的無線耳機就是人們在家里、宿舍、逛街、辦公時的“潮飾品”。特別是年輕的群體,耳機逐步成為一種個性、品味、時尚的表現,甚至已經成為一種飾品,可以與不同的衣服進行搭配。耳機的造型設計也越來越重要,未來的無線耳機將呈現多樣化、輕量化、便攜化的特點。多樣化可以擺脫主流、吸引更多的眼球;輕量化的設計便于出行、運動;便攜化可以方便不用時進行收納。在未來,時尚個性的外觀設計將是在技術趨于“同質化”下,成為產品更大的賣點。

深圳藍牙耳機方案設計

三、無線耳機的發聲原理、結構、材質分析

無線耳機主要由三部分組成:一是發生源,二是是接收器,三是是耳機部分。除了線纜被電波代替以外,無線耳機在耳機部分結構上基本與有線耳機沒有太大區別。其中耳機部分主要是由頭帶、左右發聲單元、耳殼和耳罩或耳塞四個部分構成。耳機的發聲原理與音箱的揚聲器原理相似,都是將聲音變化的電信號轉換為聲音信號,耳機也是揚聲器的一種,屬于電動揚聲器。耳機在功能上就相當于一個個人音箱,但由于與人的耳朵接觸最為“親密”,在使用、佩戴上就有了更高的要求。

1、耳機的發聲單元

無線耳機的發聲原理就在其發聲單元,也是技術含量最高的部件,其實最終發出聲音的就是揚聲器端。耳機依據換能原理,可以將其分為動圈式、動鐵式、靜電式及等磁式四種。

動圈式是最為常見的了,它的特點就是:成本低、效率高、高度耐用,能夠承受大電流的輸入。目前市場上近99%的產品都是采用這種原理,面對的消費群體主要是對音頻要求不高的普通消費者。它的原理就是揚聲器通過一個高強度的永磁體放出磁力,使周圍布滿磁感線,有一個纏繞線圈隔空依附于圓環形振膜上,并穿過永磁體。當有電流通過時,磁力與原磁場相互排斥或者吸引,發生震動。

動鐵式的歷史同樣很久遠,它的特點是體積小,可以讓耳機更深入耳道。它的工作原理是通過永磁場中央一個叫做“平衡銜鐵”的連接棒在磁力的作用下帶動振膜發聲。在音質方面,動鐵單元顆的粒感更強,解析能力也十分優異。而動鐵式為了彌補振膜的單位面積小,頻響范圍不足的缺點,很多產品進行了多單元設計。

靜電式可以說是揚聲器中的貴族,完全為音樂發燒友而設計。精致的造型、考究的工藝、完美的音質與昂貴的價格是這一系列耳機的普遍特點。其中以森海塞爾與奧菲斯最具代表性。它的原理是將導電體線圈直接電鍍或印刷在薄薄的塑料膜上,置于強靜電電場中,信號通過線圈的時候切割電場,帶動振膜發聲。在音質方面,靜電式有著極盡完美的解析能力與高頻的通透度,保真度高,最重要的是振膜非常輕,可以使聲音更加細膩、瞬態響應更好,傳遞速度更快。但這種技術在低頻方面表現一般,在高濕度的環境下容易發生不可逆的故障。

等磁式原理又稱為平板式原理,有些類似于平面揚聲器。它的音圈呈平面狀,置于振膜內部,在振膜兩側分布有磁體并在磁場中產生振動。等磁體同樣也有著近似的的大振動面積與音質,但振膜沒有像靜電式那樣輕薄。此類耳機需要較大的功率與大電流,由于體積相對較大,并不適合長時間佩戴。

2、耳機頭帶

頭帶的功能是固定左右發聲單元,我們常稱為U型支架。根據佩戴方式,耳機有不同的形式,有頭戴式、耳掛式和入耳式,而我們常說的U型支架一般特指頭戴式耳機,多數入耳式與耳掛式沒有頭梁結構。頭帶起著重要的支撐作用,頭帶的結構及它與發聲單元的鏈接方式直接決定了耳罩對于頭部的作用力,也直接決定了耳機在佩戴時是否會舒適和牢靠。因此,頭帶兩側會有拉桿結構,內置鐵片與滑道以適應不同的頭型尺寸。還有一種頭帶設計可以自動貼合頭部,叫做自適應頭帶,它是頭帶以兩層布局,依靠滑動結構作為連接,在佩戴時用戶無需刻意調節頭梁的長度,隨著佩戴過程自動根據人體頭部尺寸進行長度調節,簡便有效。

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3、耳罩

耳罩是頭部與發聲單元緊密接觸的部件,我們有時候也稱為耳套,它的功能不僅僅是保證佩戴的舒適,它還可以起到降噪和保護聽力的作用。無線耳機的耳罩有三種樣式:壓在耳朵上的,稱為壓耳式耳罩;環形結構設計,可以將耳朵包裹在里面的,叫做繞耳式耳罩;最后一種是入耳式,我們也可以叫做耳塞式,可以深入耳道內部。

對于中高檔耳機,耳罩至關重要,耳罩也是重要的聲學結構構成部分。對于大型的耳罩,可以使耳朵與振膜拉開一段距離,在耳機與頭部之間形成一個腔室,內部附有密閉墊圈,加上耳罩的材料可以吸收中頻與高頻,在一定程度上還能夠增強低頻,聲音直接作用于耳廊,對音質的影響很大。

耳罩作為直接與人的耳朵接觸的部件,對于耳罩的材質選擇要充分考慮柔軟與舒適。對于頭戴式耳機,耳罩類型一般就是繞耳式與壓耳式兩種。頭戴式耳罩的材質一般有海綿、絨布、皮質、硅膠四種。海綿耳罩成本低、透氣性強,但很容易劃損;絨布耳罩佩戴俱佳,但不耐臟;皮質耳罩有較好的質感、高檔有格調,但透氣性差,夏天佩戴體驗性較差;硅膠耳罩柔軟,清涼很適合夏天佩戴。

入耳式耳機所采用的耳罩一般有兩類,即硅膠與海綿。硅膠耳罩可以是單節層也可以是多節層。單節硅膠是最為常見也最為普通的一種,通產都會有不同尺寸的耳罩配件便于更換,常見的有S、M、L、SS、LL幾種尺寸。在質地上,也有軟硬兩種類型,柔軟的佩戴更加舒適不會造成耳道過于強烈的異物感,但缺點是隔音性能較差,硬硅膠則犧牲掉了舒適感,但有較好的隔音效果。在單節硅膠耳罩中,還有一種特殊的類型,那就是索尼專有的哥倫比亞耳套,它采用彩色套管,耳罩選用柔軟硅膠,在套管與耳罩之間填充一種泡沫硅質套,來彌補軟硅膠在隔音效果上的缺陷。

4、耳殼

耳殼,是承載發聲單元的殼體。頭戴式無線耳機的耳殼一般都會有耳機的音量調節和開關控制按鍵,按鍵通常會高出耳殼面呈凸起狀,可以方便用戶進行盲操作。無線耳機的耳殼內側一般就是耳罩部分了。除此之外,無線耳機的麥克風也常置于耳殼部上,有的完全隱藏在內部、有的半隱藏式,最常見的是傳統耳機上的長條式麥克風,也有的麥克風集成于線控位于線纜部位。我們對于一款耳機最為直觀的視覺認知就是來自于耳殼的設計。但是耳殼還有一個重要的功能,就是充當音箱的箱體角色。根據產品結構,耳殼又分為開放式、半開放式和封閉式三大類。

相比傳統有線耳機,無線耳機在耳殼內部增加了無線通訊的器件,如解碼電路、供電系統、電池等。如果是2.4G技術,還需要配置一個發射器,對于藍牙耳機則可以省去這一元件,因為發射器已經被集成在了音源設備中。

總結

耳機作為一種便攜、小巧的音頻輸出設備,逐步融入到現代生活之中。市場上,耳機的種類玲瑯滿目,佩戴方式也變化多樣,有耳塞式、掛耳式、入耳式、頭戴式;從結構功能上,有半開放式和封閉式.對于喜愛鍛煉,又喜歡聽一下音樂的運動一族來說,并不是所有類型的耳機都適合佩戴的。

在運動過程中,由于動作過大,往往耳機不易佩戴穩定,容易脫落。傳統的有線耳機在運動過程中,線纜很容易與衣服發生摩擦與碰撞,產生令人煩躁的雜音。另外,線纜的來回擺動不利于運動者施展肢體動作。當夏季來臨,運動產生大量汗漬也會影響耳機的佩戴舒適度。隨著信息產業的發展,藍牙等無線傳輸技術的應用,無線耳機逐漸成為市場的新寵。近些年來,未了滿足運動時對耳機的要求,佩戴舒適、造型美觀、小巧便攜的運動型無線耳機逐漸流行于市場。運動型無線耳機作為一種流行運動文化娛樂消費,在未來國內市場具有巨大的消費市場。

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