前言
骨聲紋傳感器因其獨特的上行降噪、語音喚醒和骨聲紋ID功能，可以廣泛應用在TWS耳機、智能手錶、手環、VR/AR、醫療、軍事等領域。據預測，至2023年，骨聲紋傳感器市場空間可達20億人民幣。然而，
長期以來，骨聲紋傳感器技術被國外所壟斷，價格昂貴。迄今為止，只有蘋果、華為和VIVO的旗艦級TWS產品使用了此類傳感器。市場亟需同類國產替代產品。近日，警長獲悉歌爾股份出品的自主知識產權骨聲紋傳感器已突破國外技術壟斷，有望於今年規模量產。
今天，警長藉此文帶大家詳細瞭解骨聲紋傳感器技術。
1. 降噪相關概念
降噪概念可以從不同維度進行區分，第一個維度是上行、下行，第二維度是主動和被動，第三維度是環境和通話。如果不把降噪的分類理解清楚，就會對耳機的降噪理解產生很大的偏差。因此警長先逐一說明一下這些概念。
1.1. 上行降噪與下行降噪
上下行概念原理圖，來自黑毛警長008
上行/下行是通信行業的術語，在網絡中，專家定義越“大”的設備越靠“上”。信號從“小”設備發到“大”設備，就被叫做上行信號，反之則成為下行信號。比如相比手機，耳機更小，那麼手機就在上，耳機在下，從耳機向手機發送的信號就是上行信號，反之則為下行信號。
上行噪聲示意圖，來自黑毛警長
我們在通話過程中，語音是我們真正要傳遞的有用信號（術語），而有用信號之外的聲音，比如周圍人群、機器設備、風噪等各種噪聲就被稱作無用信號。所謂上行噪聲，就是指接收機（耳機中的麥克風等接受傳感器）接收到的無用信號，而所謂上行降噪就是通過一系列技術手段，讓接收機（耳機中的麥克風、骨傳導傳感器、聲音編碼器等一系列器件及在相關算法作用下）儘量減少無用信號，同時保留有用信號。
下行噪聲示意圖，來自黑毛警長
而所謂下行噪聲，就是我們需要聽的有用信號（如手機傳來的音樂）之外的一切無用信號。而所謂上行降噪就是通過一系列技術手段，讓耳朵儘量只聽到有用信號。
總結一下上行降噪和下行降噪的區別，前者是為了讓對方能聽清楚，而後者是為了讓自己能聽清楚。
市面上大部分產品，在上行降噪上下的功夫不多。畢竟大部分用戶拿到耳機的第一感知是聽一下效果，而在通話中，對方如果聽到有雜音，用戶可能會認為是手機信號不好等其他原因造成的，不會太介意。
1.2. 主動降噪與被動降噪
被動降噪指通過耳機結構包圍耳朵形成封閉空間，或採用硅膠耳塞等隔音材料來阻擋外界噪聲，來達到降噪效果。也就是將耳朵通過物理方式與外部環境隔離開，從而減少外部環境噪聲（無用信號）對有用信號的干擾。常見的方式就是下圖中的頭戴式耳機，把耳朵給“包裹”起來。另外還有入耳式耳機，“包裹”的不是耳朵，而是用橡膠等材質隔絕耳道與外部環境。
密閉式耳機，來自BOSE
頭戴式和入耳式，一起被稱作封閉式耳機或者密閉式耳機，與之相對應的是開放式耳機。密閉式耳機與開放式耳機相比，前者具備更好的被動降噪能力，但便攜性和佩戴舒適性差，而後者則佩戴舒適度更高，但被動降噪能力較差。
主動降噪技術首先要拾取外部環境音，並且識別出環境音中的噪音部分（下圖中右上角粉色信號），進而系統生成一個與噪音反相的信號（下圖中右上角紫色信號），再通過揚聲器將這個“主動”生成的聲音發送出來，生成的信號由於與噪聲幅度相同，但是相反相位（可以理解為電荷正負相反），兩個信號疊加後，就會互相“中和”（右下角兩個信號疊加後“歸零”）
主動降噪示意圖，來自headphonezone.in
可見，如果把噪音當作敵人，被動降噪是防守，單純的隔絕阻擋敵人進入耳朵。而主動降噪呢，則是識別出敵人，主動生成一個敵人的“鏡像”，兩者相遇，互相抵消（以毒攻毒大法）。
主動和被動降噪並不是互斥的關係，而通常是同時存在的。實際上絕大部分主動降噪耳機不得不採用封閉式耳機，而華為Freebuds 3是業界第一款半開放式主動降噪耳機。
為什麼絕大部分主動降噪耳機都是封閉式呢？前面講到，降噪電路需要識別噪聲和非噪聲，從而產生一個噪聲的鏡像信號，那麼降噪電路需要對比來自兩個不同信號源的聲音，一個來自耳機外面，一個來自耳機裡面，前者含噪聲，後者不含噪聲，這兩個聲源差別越大，越容易識別出噪聲，也越容易實現更好的降噪效果。對於密閉式耳機，主動降噪更容易實現，而對開放式耳機來說，要做到和密閉式耳機同樣的降噪水平，難度就高的多。
而華為的Freebuds 3，為了提升佩戴的舒適性，做了取捨，在業界首次在半開放式耳機上實現了主動降噪。
1.3. 環境降噪與通話降噪
除了上面我們提到的概念之外，我們還會經常見到環境降噪和通話降噪這兩個概念。實際上這兩個詞特指下行和上行降噪的典型場景。我們說上行降噪和下行降噪的區別，前者是為了讓對方能請清楚，而後者是為了讓自己能聽清楚。而環境噪音業界通常特指在下行場景下，對聽者產生影響的環境噪聲。通話降噪，則是特指上行降噪，減少上行噪聲，讓對方聽的更清楚。
那麼這幾個概念之間的關係是怎樣的呢？
主動降噪和被動降噪，一定是下行降噪。下行降噪，是為了讓自己聽清楚，而主動降噪和被動降噪都是為了讓自己聽的更清楚，所採用的方法不同而已。
而通話降噪呢，一定是上行降噪，目的是讓對方聽的更清楚。
2. 骨聲紋傳感器
由於技術門檻高和器件成本高等因素，業界使用骨聲紋傳感器實施通話降噪的耳機很少。截止目前，僅有蘋果、華為和VIVO有相關產品。下文先後介紹骨傳導降噪技術，國外骨聲紋傳感器和歌爾骨聲紋傳感器。
2.1. 骨傳導通話降噪技術
大家都遇到過一種有趣的現象，自己錄音聽起來不像自己的聲音。不管你的錄音設備有多好，還原度有多高，給自己錄音再播放出來之後，你都會感覺這個聲音很“陌生”，不像自己日常聽到的聲音。
這就是顱骨傳音現象。
我們日常聽到別人的聲音，只有一條“接收路徑”，也就是：耳廓-耳道-鼓膜-聽小骨-耳蝸-聽覺神經。但聽自己的聲音，有兩條聽覺路徑。第一條路徑和自己的聲音從嘴巴發出後，通過空氣傳播，再從耳朵進入。第二傳播路徑是喉部震動通過顱骨直接傳遞到聽覺神經，根本不經過“耳廓-耳道-鼓膜-聽小骨-耳蝸”。自己聽到自己的聲音，是這兩個信號的組合。
聽覺系統構造及顱骨傳音原理，來自百度
但如果是錄音，錄音設備只能錄到你嘴巴發出的聲音，並不可能錄到顱骨傳遞的震動，也就是少錄了一部分聲音，那麼錄音和自己聽到的聲音當然就不會一樣了。
所以醫學上講聽力受損有兩種，一種是神經性的，一種是非神經性的。如果聽覺神經沒有受損，比如是鼓膜壞了，那麼即使聽不到外部的聲音，還是可以聽到自己的聲音（顱骨傳音）。但如果是聽覺神經“故障”，那不僅聽不到外部的聲音，自己的聲音都聽不到了。
骨傳導降噪技術就是利用了顱骨傳音。
所謂骨傳導降噪技術，就是在耳機中除了設置一個接受語音信號的“通話麥克風”之外，再增設一個接受顱骨聲音信號的震動傳感器。前者是接受空氣傳播的語音，後者是用於接收顱骨傳播的語音震動。空氣傳播的語音，當外部環境噪聲比較大的時候，就會受到噪聲干擾，比如常見的風噪，而顱骨傳音是不會受到外部環境影響的。
2.2. 國外骨聲紋傳感器
業界第一家使用骨傳導降噪技術的耳機，是蘋果的Airpods（2016年發佈），此後，華為、VIVO也相繼應用了骨傳導降噪技術。
在歌爾之前，能提供骨聲紋傳感器的只有兩家海外廠商，一家是丹麥的Sonion（聲揚）公司，另外一家是意大利法國合資公司意法半導體。
配置骨聲紋傳感器的TWS耳機，來自黑毛警長008
下圖為意法半導體出品的骨聲紋傳感器，型號為ST LIS25BA，封裝尺寸為2.5*2.5*0.86mm，這顆傳感器在蘋果的三代AirPods產品中均有應用，VIVO在去年發佈的TWS Earphone也使用了這顆傳感器。
意法半導體 ST LIS25BA，來自52audio
下圖是Sonion公司的傳感器產品外形，該公司將骨聲紋傳感器命名為Voice Pick-up Unit（VPU），型號為VPU14AA01，封裝尺寸3.5*2.65*1.5mm。華為在Freebuds 2 Pro和Freebuds3 均使用了這顆傳感器。
Sonion公司VPU14AA01，來自52Audio
聲揚的VPU14AA01是單軸震動傳感器，輸出的是模擬信號，而意法的LIS25BA是三軸震動傳感器，輸出的是數字信號。
相比前者，蘋果用的LIS25BA能夠輸出的頻寬更寬，但隨之而來也有不足，就是其耗電量更大。
由於骨傳導傳感器不僅用於上行降噪，還有另外一個重要的功能，就是語音激活，因此其功耗指標至關重要。所謂語音激活，舉個例子，就是對著蘋果Airpods Pro說 Hey Siri，就能激活蘋果手機的語音對話功能。為了實現這個功能，骨傳導傳感器就得一直處於工作狀態，其功耗的大小對於耳機的待機時長就會產生影響。
如果不考慮待機，單從理論上說，意法的三軸傳感器性能上比VPU更好，但為什麼華為沒有選擇意法呢？主要的因素是是耗電量。華為在使用功耗更小的VPU的情況下，待機也短於蘋果，如果用了意法的傳感器，那麼待機將受到進一步影響。因此不得已使用了理論性能不足但待機更好的VPU。
國外骨聲紋傳感器對比，來自黑毛警長008
2.3. 歌爾骨聲紋傳感器
在去年舉辦的上海的SENSOR CHINA展上，歌爾已經對外宣佈其具備了自主知識產權的骨聲紋傳感器。警長查詢發現，歌爾已經在骨聲紋傳感器佈局了7項專利，不僅覆蓋了不同構型的骨聲紋傳感器，而且覆蓋傳感器的測試工裝設備領域。
在歌爾的專利中這樣描述：傳統技術的骨傳導傳感器“通常採用壓電片或振動片將骨振動信息採集並直接轉換成電信號，其裝配過程複雜，受裝配工藝的影響，同一批次的不同產品之間性能差異較大，整體拾音性能較差，易受外部干擾，可靠性較差。”
據各方面信息，聲揚的VPU可能採用的就是壓電片技術。正如歌爾專利描述的那樣，壓電片技術複雜度高，裝配良率低。
通過歌爾的專利文檔，警長髮現歌爾採用了一個新思路。
歌爾骨聲紋傳感器截面圖，來自專利201920740913 .5
為了方便讀者理解，警長將歌爾專利圖進行了3D建模。
歌爾骨聲紋傳感器外形，黑毛警長基於歌爾專利圖建模
如下圖所示，歌爾的骨聲紋傳感器設計巧妙，利用了傳統MEMS麥克風的部分結構。其下部使用了MEMS麥克風的ASIC芯片和MEMS聲學傳感器。聲學傳感器能夠接受空氣傳播的聲壓，引發電容變化，將空氣波動導致的MEMS傳感器機械形變轉變為電信號。
但是骨聲紋傳感器需要採集的是震動而不是空氣波動，因此歌爾在麥克風基礎上增加震動採集結構。震動採集結構包括震動膜片和震動調節部。震動膜片和MEMS芯片之間氣密。震動調節部是一個金屬結構，當傳感器整體震動時，該金屬結構就會帶動震動膜片上下震動。這時膜片的上下震動就會形成氣密結構中的空氣波動，進而通過MEMS麥克風將空氣波動轉為電信號。
歌爾骨聲紋傳感器截面圖及解讀，黑毛警長基於歌爾專利圖建模
歌爾在專利中這樣中描述這個結構的特點：“傳感器裝置可以採用MEMS麥克風或MEMS壓力傳感器，此時，傳感器裝置採用MEMS麥克風或MEMS壓力傳感器可以降低骨聲紋識別傳感器的設計難度，傳感器裝置的加工可以採用現有半導體封裝設備進行生產，產品良率、產量及可靠性均有保障。”
簡單的說，歌爾只要把其最擅長的MEMS麥克風結構稍加改造就能做成骨聲紋傳感器。這樣設計，不僅可以保證專利中提到的良率和可靠性，還能很大程度上利用現有的麥克風生產設備，從而大幅降低新產線的投資成本，快速量產，並降低產品成本。
3. 總結
骨聲紋傳感器因其獨特的上行降噪、語音喚醒和骨聲紋ID功能，可以廣泛應用在TWS耳機、智能手錶、手環、VR/AR、醫療、軍事等領域。據預測，至2023年，骨聲紋傳感器市場空間可達20億人民幣。長期以來，骨聲紋傳感器技術被國外所壟斷，價格昂貴。迄今為止，只有蘋果、華為和VIVO的旗艦級TWS產品使用了此類傳感器。
歌爾自主知識產權的骨聲紋傳感器，不僅突破了國外壟斷，而且由於其採用了獨特的結構，具備利舊既有麥克風產線，快速投產，低成本高良率量產的能力。
制約骨聲紋傳感器的價格貴，良率低問題有可能隨著歌爾骨聲紋傳感器投產，得到解決。隨著歌爾國產替代產品的上市，國內TWS耳機、智能手錶、手環、VR/AR、醫療、軍事等行業有望普遍受益。
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