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骨振動(dòng)傳感器在TWS耳機(jī)中的應(yīng)用

發(fā)布時(shí)間:2021-12-13 責(zé)任編輯:lina

【導(dǎo)讀】真無線立體聲(True Wireless Stereo,TWS)藍(lán)牙耳機(jī)與傳統(tǒng)耳機(jī)相比,具有極高的便攜性。隨著主動(dòng)降噪、空間音頻等新功能的加入,TWS耳機(jī)的功能性更加豐富,使用體驗(yàn)得到不斷提升,更加促進(jìn)TWS耳機(jī)的快速普及。


骨振動(dòng)傳感器在TWS耳機(jī)中的應(yīng)用


TWS耳機(jī)


真無線立體聲(True Wireless Stereo,TWS)藍(lán)牙耳機(jī)與傳統(tǒng)耳機(jī)相比,具有極高的便攜性。隨著主動(dòng)降噪、空間音頻等新功能的加入,TWS耳機(jī)的功能性更加豐富,使用體驗(yàn)得到不斷提升,更加促進(jìn)TWS耳機(jī)的快速普及。


日常生活中,語音通話的應(yīng)用場(chǎng)景比較復(fù)雜,比如在地鐵上、辦公室里、機(jī)場(chǎng)等公共場(chǎng)所,對(duì)通話效果有很高的要求,在上行通話中,環(huán)境噪音的消除成為剛性需求。如何能夠更進(jìn)一步提升TWS耳機(jī)的通話降噪效果,從而凸顯產(chǎn)品的差異性,提升產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力,成為眾多廠商布局產(chǎn)品的重點(diǎn)方向之一。


骨振動(dòng)傳感器檢測(cè)原理


人在說話時(shí),聲帶產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào),有兩種方式進(jìn)行傳播:一種是通過空氣介質(zhì)向外傳播,另一種方式是通過人的顱腦骨骼、肌肉向外傳播,引起耳廓的振動(dòng)。骨振動(dòng)傳感器就是利用后者的傳播方式,檢測(cè)耳廓的振動(dòng)信號(hào),拾取佩戴者的語音信息。骨振動(dòng)傳感器對(duì)于空氣中傳播的聲波信號(hào)不敏感,對(duì)空氣中傳播的聲音信號(hào)具有天然的抑制作用,因此,通話降噪算法更簡(jiǎn)單、更自然,噪聲抑制更有效,可以提供效果更佳的上行通話效果。


骨振動(dòng)傳感器在TWS耳機(jī)中的應(yīng)用

TWS耳機(jī)降噪方法對(duì)比


市場(chǎng)上TWS耳機(jī)種類繁多,對(duì)于ENC(Environmental Noise Cancellation)降噪方面,根據(jù)不同的價(jià)格及性能定位,有單麥克風(fēng)、雙麥克風(fēng)、三麥克風(fēng)以及骨振動(dòng)傳感器等多種產(chǎn)品形態(tài)。


TWS耳機(jī)降噪方法對(duì)比

單麥克風(fēng)方案價(jià)格有優(yōu)勢(shì),主控芯片要求門檻更低,結(jié)構(gòu)不受限,利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法,識(shí)別濾除噪聲信號(hào)。不過單麥克風(fēng)方案降噪效果一般,對(duì)于復(fù)雜場(chǎng)景的噪聲識(shí)別及壓制不是很明顯。雙麥克風(fēng)可適配多種形態(tài),在大多數(shù)高噪場(chǎng)景下有比較好的體驗(yàn),性價(jià)比高,是目前ENC降噪的主流方案。


雙麥ENC降噪,利用有一定間距的兩顆麥克風(fēng),這樣才可以識(shí)別不同方向的聲音信號(hào),兩顆麥克風(fēng)的最小間距一般要求10mm。算法上用相對(duì)成熟的波束成形(beam forming)算法,波形指向配戴者說話的音源,在音源方向增強(qiáng)信號(hào)靈敏度,在其它方向壓制信號(hào)靈敏度,從而實(shí)現(xiàn)噪聲的消除。


三麥ENC降噪一般復(fù)用主動(dòng)降噪(ANC)的反饋麥克風(fēng)(Feedback Microphone,F(xiàn)B),F(xiàn)B麥克風(fēng)用于檢測(cè)聲帶通過耳蝸傳遞到耳機(jī)的聲音信號(hào),另外由于FB麥克風(fēng)深處耳道內(nèi)部,主動(dòng)降噪耳機(jī)大部分為入耳佩戴方式,耳機(jī)的橡膠套有比較好的密封效果,可以隔離外界環(huán)境噪音。三麥ENC降噪,可適用于大多數(shù)場(chǎng)景,抗風(fēng)噪能力佳,但是算法復(fù)雜,價(jià)格相對(duì)高。


麥克風(fēng)與骨振動(dòng)相結(jié)合,抗環(huán)境人聲干擾性能更佳,通話者人聲失真度小。風(fēng)噪是大部分耳機(jī)的一個(gè)痛點(diǎn),當(dāng)風(fēng)速大于5m/s時(shí),麥克風(fēng)會(huì)出現(xiàn)飽和失真,此時(shí),麥克風(fēng)喪失捕捉語音信號(hào)的能力,骨振動(dòng)傳感器對(duì)空氣波動(dòng)不響應(yīng),所以即使在大風(fēng)速情況下,依然能準(zhǔn)確捕捉到語音信號(hào)。另外對(duì)于豆式耳機(jī),由于空間緊湊,體積小,兩顆麥克風(fēng)很難拉開距離,所以這種情況下雙麥ENC降噪效果欠佳。一顆通話麥克風(fēng)加一顆骨振動(dòng)傳感器,可以實(shí)現(xiàn)比較好的通話效果,抗風(fēng)噪能力強(qiáng),噪聲抑制效果佳,算法上也無需復(fù)雜的波束成形,簡(jiǎn)單的語音算法就可以實(shí)現(xiàn),方案的整體性價(jià)比高,為越來越多的耳機(jī)廠家所采用。


骨振動(dòng)傳感器在TWS耳機(jī)中的應(yīng)用

骨振動(dòng)傳感器設(shè)計(jì)


基于微機(jī)電系統(tǒng)(Micro-Electronic-Mechanical-System,MEMS)加工技術(shù),在硅襯底上加工形成微米級(jí)尺寸的彈性梁結(jié)構(gòu)以及一定重量的質(zhì)量塊,構(gòu)成振動(dòng)敏感的力學(xué)結(jié)構(gòu)。質(zhì)量塊上的電容極板與襯底上的電容極板構(gòu)成梳齒形可動(dòng)電容,當(dāng)有振動(dòng)施加到器件上時(shí),質(zhì)量塊產(chǎn)生振動(dòng),帶動(dòng)電容梳齒產(chǎn)生振動(dòng),電容兩極板之間間距變化,因此電容產(chǎn)生變化。


骨振動(dòng)傳感器設(shè)計(jì)

骨振動(dòng)傳感器內(nèi)部的專用集成電路(Application Specific Integrated Circuit,ASIC)將微弱的電容信號(hào)提取、轉(zhuǎn)換以及放大,將振動(dòng)信號(hào)以電壓的形式輸出,與傳統(tǒng)MEMS麥克風(fēng)的輸出信號(hào)相似,便于藍(lán)牙主控進(jìn)行信號(hào)處理。


骨振動(dòng)傳感器在TWS耳機(jī)中的應(yīng)用

敏芯股份研發(fā)的骨振動(dòng)傳感器MSB102S


據(jù)麥姆斯咨詢介紹,敏芯股份自主研發(fā)了骨振動(dòng)傳感器:MSB102S,采用LGA封裝方式,尺寸為2.7mm x 1.8mm x 1.1mm,整體外觀呈現(xiàn)為PCB基板與金屬殼的組合形式。MSB102S封裝尺寸小巧緊湊,與標(biāo)準(zhǔn)麥克風(fēng)尺寸兼容。PCB基板位于底部,基板正面及背面分布有各路信號(hào)走線,背面設(shè)有引出電極?;逅闹芊植加袆濆a溝道,使頂部金屬殼通過焊錫與基板連接,以實(shí)現(xiàn)完整電磁信號(hào)屏蔽。LGA封裝內(nèi)部主要包含MEMS芯片與ASIC芯片。MEMS芯片貼裝于PCB基板,ASIC芯片貼裝于MEMS芯片之上,構(gòu)成上下堆疊的形式,使結(jié)構(gòu)更緊湊,空間利用率更高。MEMS芯片與ASIC芯片、ASIC芯片與PCB基板之間,均通過引線鍵合(Wire Bonding)的方式實(shí)現(xiàn)信號(hào)互聯(lián)。


敏芯股份的骨振動(dòng)傳感器MSB102S靈敏度為-26 dBV/g @ 1kHz,信噪比為55dB,諧振頻率為4kHz。一般而言,語音信號(hào)的帶寬為1kHz左右,因此,該器件頻率響應(yīng)在1.5kHz以內(nèi)平坦,更便于算法處理。


骨振動(dòng)傳感器在TWS耳機(jī)中的應(yīng)用


(來源:MEMS)


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