iPhone 7音频技术解读:AirPods无线耳机和立体声扬声器

2016-09-09 10:34:33     作者:陈孝良      来源:雷锋网

音频领域的一次革命性变化。

雷锋网按:本文作者陈孝良,工学博士,声智科技创始人。

库克唱着歌开始了令人期待的苹果发布会,这似乎在暗示苹果iPhone 7&Plus要在音频方面做出更多革新。事实也正是这样,iPhone 7&Plus的十项新特色中就包含了3项音频方面的重大变化。除了我们之前预测的取消3.5MM音频接口,带给耳机产业新革命,还同时配置了立体声扬声器,以及同时发布了无线耳机AirPods。

 1、取消3.5mm音频接口,发布AirPods无线耳机

库克还是很有魄力,iPhone 7&Plus这次终于取消了3.5mm音频接口,改为Lightning接口。用户如果想用3.5mm接口耳机,可以使用转换器,苹果将附送转接头。具体解读可以参见《iPhone 7的音频革命:Lightning真的会取代3.5mm音频接口吗?》。

iPhone 7&Plus由于取消了3.5mm音频接口,不得不预装Lightning接口耳机和转接头,但苹果同时发布了全新的无线耳机AirPods,虽然笔者总觉得这款耳机像极了吹风机,但这确实如苹果所宣称的,这将是革命性的、突破性的创新。AirPods无线耳机大幅提升了无线耳机的用户体验,包括:首先是提高了音频品质,其次是增加了续航时间,最后是采用全自动配置方案。

AirPods无线耳机本身还是基于蓝牙技术,我们知道蓝牙耳机的传输带宽较小,并且传输延迟较大,这严重影响了蓝牙耳机在音质方面的表现,所以我们市面上见到的蓝牙耳机基本上以通话耳机为主。虽然有些蓝牙耳机也支持音乐播放,但是由于音质是一个全链条过程,若没有手机的支持也是枉然。这次苹果重新设计的W1芯片解决了这些问题,W1芯片提供了更稳定可靠的传输以及更好的音质表现,蓝牙耳机从此将迈入音频耳机时代。

同时苹果W1芯片设计也强调了电池续航的能力,这也是制约无线耳机发展的头疼问题,除了Lightning接口可以提供的供电能力,W1 芯片的能耗仅为蓝牙耳机芯片的三分之一,AirPods 一次充电耳机可以使用长达 5 个小时左右。另外还可以搭配定制充电盒,更是能够达到 24 小时的总使用时间。充电速度也非常快,只要放入充电盒 15 分钟,就能够获得 3 个小时的使用时间。更惊奇的是,这个吹风机的AirPods采用了条形锂电池。

另外,AirPods耳机还搭配了光学传感器和运动加速度计,以及布局在耳机上下的两个麦克风,这给Siri带来了革命性变化,只要轻怕两下就可以唤醒Siri并激活麦克风,这样就可以借由Siri实现语音控制音乐、调整音量或者执行其他任务。看来,AirPods不仅是一款无线耳机,而且也是一款智能耳机。

但遗憾的同样是价格,AirPods 将会在 10 月底正式发售,官方零售价格为 1288 元人民币,仅支持最新 iOS 10 、watchOS 3 macOS 或 Sierra 系统版本的设备。

 2、3D音效:底部和顶部都配置了喇叭

iPhone 7 和iPhone 7 Plus 均配备了立体声扬声器,分别位于底部和顶部,音量比 iPhone 6s 也提升了一倍,动态范围也有所提升,也就是音量更大了,可以和山寨机抗衡一把。另外,苹果这种双扬声器的设计也给虚拟3D音效带来了无限空间,未来用户可以体验到沉浸式的空间音频效果。

立体声其实不是什么新鲜的玩意,实际上,苹果这种双扬声器布局也不新鲜,很多山寨机早就玩过了,但是为什么苹果要单独拿出来炫酷一把呢?这主要得益于VR的火爆,3D视频体验铺天盖地,但是3D音频进展却始终缓慢,而手机的扬声器配置就是主要制约因素。

在此之前,大部分著名的手机实际上都是单通道的扬声器模式,根本无法支持空间音频效果的扩展。通俗来说,就是用户无法从手机播放的声音中感受到声源的位置。但是要实现这种空间效果,手机就至少需要两个声道(至少两个喇叭),并且最好两个喇叭之间有一定的间距。

至于单声道和立体声的差别,有必要回顾一下电影和影院的声音演进历史。

电影和影院是声音最主要的载体,最先进的音频技术肯定是首先应用到电影音效。电影最开始时是单声道(Mono),然后是立体声(Stereo),其后是环绕声(Surround),再其后是5.1和7.1声道,理论上接下来将是9.1、11.1甚至13.1声道,很多公司实际上就在研发更多声道的技术。

简单来说,声道可以算是喇叭的个数,但又不能这样简单辨别,因为一个声道也可以驱动多个喇叭。事实上,人类的耳朵还是太敏感了,声道的增加也无法带来最为明显的质变。其实早在1953年,早期电影立体声最伟大的改革者之一Harvey Fletcher就说过,要的不是有多少声道,而是要让人感觉声音无处不在。因此立体声相比双声道,实际上在算法方面做了更多的变化,能够让我们感受到声音的空间效果。

立体声音效包含了很多声音效果,其中和空间相关的就是虚拟环绕声(Virtual Surround)。顾名思义,虚拟环绕声技术就是在双声道的基础上(即苹果底部和顶部的两个扬声器),通过基于HRTF的算法处理,使聆听者感到声音来自多个方位,产生仿真的立体声场。

HRTF(Head Related Transfer Function),即头部相关传输函数,主要是描述人的听觉系统对不同方位声音产生的频谱特性差异这项技术主要基于人耳的特殊效应,英国物理学家瑞利于1896年通过实验发现人的两只耳朵可以感受到同一声源的时间差与声级差,人可以通过这些微小的差别准确判断声音的方向、确定声源的位置。但是这个特性局限于确定水平方向的声源,不能解决三维空音声源的定位,因此苹果的立体声配置更适合放在桌子上或者双手拿持着播放,这样用户更容易在虚拟环绕音效的“甜点”位置。

虚拟环绕音效也是非常传统的技术,SRS TruSurround、Qsound Qsurround、Aureal A3D和Spatializer N-2-2DVS等技术早就非常著名,当然还有杜比实验室的VSS(Virtual Surround Sound)技术。但是这些技术在手机上受制于扬声器的配置限制,始终无法发挥作用,现在苹果打开了这个空间,可以说,手机音效时代已经来临。而苹果带来的这种音频技术变化,也将带来音箱产业更向小型化的方向发展。

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