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从AirPods的成功看无线立体声耳机的技术和市场走向

2017-12-14 10:03:00

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来源:华强资讯


从耳机产业的发展来看,AirPods无线耳机大幅提升了无线耳机的用户体验,是无线耳机的划时代产品。其用户体验提升总结包括三大方面:实现无线立体声,提升连接效率和稳定性、提升音质、极大提升蓝牙耳机的续航能力、智能化(多重传感器,Siri的延伸,未来智能家居的核心)。

AirPods发布后,销量一直非常好,发货周期一度延迟到6周,直到新供应商加入后才有所缓解。AirPods的发布使得苹果在美国在线耳机市场的份额大幅提升,说明大量的用户已经在从有线耳机转到无线耳机。此外,AirPods还大幅带动了美国电商市场无线耳机销售的热潮,AirPods发布后,美国电商市场无线耳机的市场份额由15年的峰值50%再次提升至16年底的80%,显现出强劲的替代趋势。


一、未来几年无线立体声耳机快速渗透市场


实际上不仅仅是AirPods,众筹网站kickstarter和Indiegogo上有关无线立体声智能耳机的项目情况也证明智能耳机受到消费者的热烈追捧。Kickstarter上面已经有16万人已经使用了超过3000万美元的智能耳机,而且这些都是未经测试且不可靠的产品。根据统计显示,只有两个智能耳机的众筹活动没有达到目标,非常低的失败率反过来显示出消费者对智能耳机浓厚兴趣。

Airpods的发布和供不应求代表了消费者对无线立体声耳机的认可,三星、索尼等巨头都在布局TWS技术的无线立体声耳机,众筹市场上面众多的无线立体声智能耳机项目收到广泛的追捧,如Bragi、Jabra等项目都获得了不错的结果。除了巨头的终端产品驱动外,3.5mm耳机接口取消、蓝牙5.0、动铁单元、人工智能语音助手等科技和趋势的普及都将驱动未来无线立体声耳机的快速渗透。

我们对消费电子市场无线耳机未来几年的渗透率、出货量和市场规模进行了测算。假设到19年全球无线立体声耳机渗透率达到60%左右,消费级无线立体声耳机的整体市场规模有望超过150亿美元。


此外,无线立体声智能耳机的革命不仅仅在消费电子市场的替代潮,在医疗(助听HearingAids、个人看护PSAP)、ToB市场(军工、噪音隔离、娱乐业)、声音(耳道回声)的生物识别等也有巨大的机会和市场空间。根据第三方机构WiFore相关数据和我们的进一步测算,考虑医疗和军工、工业、娱乐等ToB市场,到2020年无线耳机整体的市场规模有望达到300-400亿美元。



助听器Hearing Aids:无线立体声智能耳机的普及有可能带来助听器市场的革命,从技术、商业模式等方面彻底改变整个听觉医疗领域的市场。传统的助听器与耳机一个重大的不同在于,助听器不仅仅简单的提高环境音量,还需要由专业的医生配合调试各项参数来针对特定的听觉障碍的用户提供最佳匹配的声音。因此,助听器是一种专门的医疗器械,通常与专业的医疗服务配套,形成一个完整的商业模式,助听器在美国也需要被FDA认证,才能作为正式的医疗用品加以出售。但是以苹果AirPods以及其搭配的APP为代表的新产品已经开始对这一模式形成挑战。美国FCC要求“手机要兼容助听功能必须带有telecoil感应线圈系统”,而苹果已经向FCC请愿取消这一要求,因为iPhone带有的MFI套件配套耳机就能解决助听问题。此外,低功耗蓝牙技术、动铁单元技术的引入能够解决传统无线耳机的功耗和续航问题,进一步打破了助听器市场的技术壁垒。

噪音隔离和听觉保护:在工业应用中,恶劣的声音环境会对劳动者的听觉产生巨大的伤害,听觉保护在这些极端的工作环境中极为重要。在劳动者保护越来越引起社会重视的背景下,听觉的保护也是声学工业探索的方向和市场机会之一。传统的听觉保护方式采用物理完全隔绝外界声音的方式。这种方式的缺点在于,听者被完全隔离在外界声音中,包括一些有用的工作声音和交流信号,甚至长期佩戴这样的装置会产生社交隔离的心理障碍。最新的智能无线耳机可以通过采集环境噪音,利用计算机算法有选择的传送声音到用户的耳中,既实现了隔绝噪音的功效,又防止把有用的声音也一起隔绝掉。

军事领域:美国军队已经开始对无线耳机市场进行投入,2016年美国军队初步采购了2万个适配其TCAPS战术通信和保护系统的无线耳机,单价超过2000美元。考虑到军工市场的潜在采购规模和非常高的单价,军事领域也是无线耳机的重要机会。


声音(耳道回声)的生物识别:以日本电气NEC正在开发的一种声音的生物识别技术为例,他们通过在耳机中加入回声接收装置,通过在耳朵中接收声音的回声辨别用户的身份,目前识别的速度已经降低到1s以内,未来有望成为用户生物识别又一重要的可选择方式。

二、TWS等多项新技术是新一代无线立体声耳机的核心

1、真无线立体声(TWS)是新一代无线立体声耳机的主要方案

真实无线立体声,英文专用词汇为True Wireless Stereo,简称TWS,它是蓝牙耳机/音箱技术的最新创新,可以实现蓝牙左右声道的无线分离。

这项技术的核心原理是将扬声器分为了主扬声器(TWS Master)和从属扬声器(TWS Slave)。主扬声器是能够接收智能手机、笔记本电脑等设备(音源)传输的A2DP协议的音频以及AVRCP协议的流媒体控制信号,并将音频传输给其他TWS设备的扬声器。从属扬声器是指能够从主扬声器接收A2DP协议音频的扬声器。比较高端TWS耳机一般两个扬声器都可以作为主扬声器使用。

TWS技术使得主流的A2DP协议的音频可以从主扬声器传输到从扬声器,实现音频在两个分离的扬声器中同步播放,进而实现立体声效果。

苹果、三星、Jabra等行业龙头在新产品中都采用了TWS技术。TWS耳机中的典型代表是苹果AirPods,除此之外三星Gear IconX、Jabra Elite Sport等也是行业内的代表产品。表格7我们汇总了目前已经发布的电子行业巨头以及初创型公司的TWS耳机。


除了整机外,TWS主要解决方案提供商英国芯片厂商CSR,、以及恩智浦NXP旗下的厂商两家都被高通重金收购,也是业界巨头在无线电声领域布局的代表案例。

采用了TWS技术的无线耳机与普通蓝牙耳机对比,在便携度、高清音质、体积、智能化水平、防水等方面优势明显。

2、以AirPods为代表,TWS耳机元件数量和复杂度都大幅提升

一对AirPods耳机以及1个充电设备共有28个主要组件以及数百个元器件,相较于以往的无线耳机在元器件数量和复杂度大幅提升。

除了无线耳机都具备的声学器件、解码芯片等组件外,AirPods集成了数个不同功能的传感器,大幅提升无线耳机的使用便捷度。

AirPods新增的生物识别和降噪都主要是通过各种传感器来实现的。主要包括语音加速传感器、运动加速传感器、光学传感器和MEMS麦克风。



语音加速感应器:

语音加速感应器是一个语音活动检测器,可以感受使用者在说话时产生的振动,通过用户的肌肉组织和骨骼中的震动检测到语音活动,Bosch这颗芯片的封装尺寸为2.0mmx2.0mm x0.95mm

运动加速感应器:实现敲击两下激活siri和启动麦克风的功能

AirPods中的运动加速感应器是来自于STMicroelectronics三轴加速度计,配合光学传感器使用能衍生出多种便捷功能。封装尺寸为2.50 mm x 2.50 mm x 0.86 mm。

光学传感器:检测用户是否佩戴耳机

AirPods中的光学传感器由两个光敏元件组成,配合运动加速感应器来检测你是否已将它们戴入耳中,从而能自动开启传送音频和激活麦克风等功能。其封装尺寸为1.78 mm x 1.35 mm x 0.42 mm。



麦克风:接拨电话、语音输入和过滤背景噪音

AirPods的MEMS麦克风均来自于歌尔声学。采用波束成形技术的麦克风可以配置成阵列,形成定向响应或波束场型,可以对来自一个或多个特定方向的声音更敏感。配合语音加速感应器,可过滤掉背景噪音,清晰锁定用户的声音。

AirPods充电器内部的电池是一块3.81V,1.52瓦时的锂电池,它的电池容量大约是AirPods耳机的16倍,可以将两个耳机充满8次电。对比来看,Apple Pencil的电池大约是0.329瓦时,Apple Watch Series 2为1.03瓦时,目前为止这是容量最大的微型电池。

此外我们还从更加详细的拆解图可以看到,AirPods中不仅仅是新加入了传感器、芯片、声学器件等,还因为这些零组件的数量增加导致内部的连接器(Speaker Connector、Antenna Connector、Button Connector、Charging Connector、Battery Pad等)、天线、金属结构件等小零部件的数量也大幅增加,也给组装厂商的组装制造能力和金属小部件自给能力提出了更高的要求,形成了TWS耳机组装厂商特殊的较高壁垒。



三、从AirPods看无线立体声耳机的技术创新


1、AirPods未来的几大升级方向

从苹果储备的各类专利来看,AirPods目前还仅仅是一个入门级产品,未来具备非常大的升级空间,运动检测、健康检测、生物识别以及更加可靠的佩戴方式、无线充电等都将是布局的方向。

苹果2016年9月递交了三份专利,题目都是“具有生物识别感应功能的耳机”,透露了AirPods未来可能的几大升级方向。

第一项专利是关于在AirPods这样的入耳式耳机上搭载生物识别技术,解决在与耳机与耳朵接触的表面积太小而且不够稳定,多数情况下难以获得生物识别所需的足够信息的问题。

这项专利使用了光电容积描记(PPG)传感器。PPG技术是指,将一定波长的光束照到皮肤表面,由于肌肉和血液会使光线衰减,反射回光电接收器的光线将减弱,由此可以检测到脉搏血流的变化。一些利用手机摄像头测量心率的app就用的是这项技术,Apple Watch也是如此。

为了解决与皮肤接触面积小的问题,苹果把这个传感器放在了靠近扬声器的位置(即下图中204位置)。这样一来,当把扬声器放入耳道时,PPG传感器就可以与耳屏的整个内表面相接触。此外,还可以在耳机的另一端再安装一个辅助部件,与外耳接触;可压缩变形的辅助部件让传感器更好地贴合不同人的耳型。

第二份专利材料显示耳机上还会集成多个传感器,包括心率传感器、耗氧量传感器、皮肤电反应传感器、心电图传感器、心阻抗图传感器和温度传感器等。这些传感器相互协作,可以实现心脏、血压等健康指数的监测。

第三份专利阐述了苹果如何用耳机上的麦克风进行降噪。现有的AirPods使用双麦克风的波束形成技术来消除背景噪声。新专利的技术与此类似,只是多加了一颗麦克风。通过设置,这只耳机可以进行选择性降噪,只接收10至20度范围内的声音,基本相当于人耳与嘴之间的角度,可以应用于通话或者与Siri的语音交互;它还可以被设置为全面降噪,此时所有外界的声音都会被屏蔽,于是佩戴耳机的人在通话中就不会被自己的声音所干扰。此外,苹果的专利材料中还指出,新耳机要设计成对称的外形,这样左右耳都可以方便地互换使用。为此,苹果还使用了专门的传感器,用于检测耳机戴在哪边的耳朵上。



目前关注度比较高的是AirPods的掉落问题,虽然目前AirPods本身其实掉落几率不大,但是苹果也在通过各种办法进一步提升可靠度,未来我们有望看到新的方案。近期美国专利商标局公布了苹果提交的一项专利申请,未来苹果会利用磁性来加固AirPods 在耳朵上的佩戴。从公布的专利图来看,未来的AirPods 会采用一种完全不同的设计,改为环绕式机械构架,利用两片(磁场)可以穿过耳朵肌肉组织的磁块来防止耳机掉落。

不仅仅是AirPods耳机本身,AirPods的充电盒也有创新和提升的巨大想象空间,未来有望引入无线充电等新功能,使AirPods充电盒成为众多苹果产品包括手机和手表的充电站。2017年4月份Patently Apple网站公布了苹果关于AirPods充电盒的专利。这份专利描述了AirPods充电盒除了可以给耳机充电外,还能给包括手机手表等设备进行无线充电。这就意味着17年苹果新品加入无线充电后,AirPods充电盒未来有望成为包括苹果手机、Apple Watch和AirPods的充电站。

从AirPods可以看出,进入无线立体声时代的耳机内部结构发生了巨大的变化,多种元器件高度集成将加大制造难度和附加值。传统的有线耳机围绕发声单元设计了海绵体、腔体、外壳、滤嘴等结构,仅仅是为了更好的保护发声或保护耳朵,涉及到电子元件的部分很少,仅仅是线材、动圈单元等。但是进入无线时代的耳机,内部结构发生重大变化。由于要加入无线传输、控制、传感、存储、语音等功能,一个典型的TWS耳机内部可能集成了大量的电子元器件,包括天线、各类控制/传输芯片、各类麦克风、各类传感器、存储器等多种器件,复杂度大幅提升。

三星IconX耳塞在2016年初推出,但在市场很少看到。索尼在2016年2月的移动世界大会上宣布了他们的Xperia Ear。8月再次出现在IFA,但仍然没有上市。苹果在9月推出AirPods,到17年上半年依然发货延期很久,这些都说明大规模生产良好的智能耳机难度较大。



2、动铁单元小型化、功耗优势明显,有望在无线耳机等领域普及

人耳能够听见声音,是由于物体振动时通过介质(一般指空气)被人的耳朵捕捉的一种生理现象。人耳能捕捉到的声音频率在20Hz至20000Hz之间。一般生活中声学设备(如耳机等)提供的声音覆盖范围基本与这个频率吻合。

根据耳机换能方式划分,可以分为动圈和动铁式耳机两种。

动圈式耳机驱动单元是一个小型动圈扬声器,由处于永磁场的线圈和振膜相连,电流驱动下线圈带动振膜发出声音。

动铁式耳机核心部件是平衡衔铁型驱动器(Balanced Armature Driver)。U形铁片一端是磁铁,一端是绕制线圈。U形铁片通过传导针与振膜相连,当U形铁片的一端受交流往复的磁场推动产生振动,振动传导给振膜实现振膜发声。

动铁式耳机灵敏度高、解析力高、层次感强、频率更高、体积小巧且隔音效果更优,尤其是在体积和省电方面具备特殊优势。动铁单元电声转换率高,耗电量是普通喇叭的20%-30%。在无线耳机趋势下,动铁型微声学器件的小型化和自动化生产等优势,有望助推其成为未来主流的声学器件。

从苹果专利布局进一步来看,未来苹果耳机演变为入耳式耳机也值得期待。如果动铁单元由于更加适合入耳式耳机而被苹果采用,也有望带来供应链的变革。

2017年7月,AppleInsider披露了一份十分酷炫的苹果专利申请。专利描述了一种先进的入耳式耳机设备,该设备会在某种情况下,实现通过传感器来屏蔽掉环境噪音,同时也可以放大和增强外部环境的声音。苹果公司描述这项专利为“入耳式混音音频透明度系统”,是一种噪音消除和管理解决方法,它允许用户选择性地淹没和听取来自环境周围的声音。

目前入耳式耳机为了能听到外界声音,依靠麦克风和数字声音处理技术,但是这种技术需要比较大的功率。此外密封耳道会导致用户听自己的声音或类似身体运动产生的嗡鸣声,并且这种嗡鸣声是目前入耳式耳机没有办法消除的。苹果公司提出的这种混合透明度系统,将入耳式耳机的元件“漏”出来或部分未密封的设备与机载计算机逻辑结合起来。添加一个类似于排气口的声通阀来抵消闭塞效应。当用户正在听音乐时,可以关闭阀门,从而将音频内容与外部噪声隔离开来;而需要听到外部声音的时候打开阀门。



苹果在专利中添加了自动化技术来优化,使阀门致动能被编程,通过传感器数据来确定用户正在运行或执行身体活动,并能自动触发阀操作。耳机阀能更好地感知周围环境中的声音,比如汽车交通、或者其他人的声音,还可以调节由周围环境的波动引起的耳压,这个特别的功能甚至能应付飞机起飞降落时候的压力平衡。

另外,AirPods布局的一大重心是作为Siri的入口,以AirPods为代表的一个新的可穿戴设备角色加入到语音助手的队列,并且AirPods的语音输入操作远远比手机等设备方便,不需要唤醒手机等一系列操作就可以与人工智能交互。除了AirPods以外,三星Gear IconX、新版索尼Xperia Ear等都具备语音助手功能,可见其重要性。无线智能耳机成为比手机上面的人工智能交互更加便捷的通道,成为各大语音助手的自然延伸。