數(shù)字時代的聲音科學(xué)：從數(shù)學(xué)之父讀懂華為最大音頻實驗室

原標(biāo)題：數(shù)字時代的聲音科學(xué)：從數(shù)學(xué)之父讀懂華為最大音頻實驗室

時間來到2022年，關(guān)于真無線耳機(jī)TWS的佩戴穩(wěn)定性、是否有必要等質(zhì)疑，已經(jīng)不再是一個問題，反倒是“音質(zhì)好壞”“不知道選哪個好”等主觀性較強(qiáng)的顧慮，成為困擾聲學(xué)廠商、移動終端廠商的焦點。

對聲音的感知和偏好，帶有很強(qiáng)的個性色彩，這也使得大家對TWS耳機(jī)的價值判斷莫衷一是，很容易陷入“索尼大法好”“水電比火電更好聽”之類的玄學(xué)。個人喜好自然無需科學(xué)來定義，但TWS耳機(jī)這一品類要向前發(fā)展，卻需要共識和標(biāo)準(zhǔn)，這就離不開定量、定性的科學(xué)方法。

（古希臘數(shù)學(xué)家畢達(dá)哥拉斯）

對畢達(dá)哥拉斯來說，聲音的愉悅感正是通過科學(xué)來定義的。英國作者邁克·戈德史密斯在《牛津通識課：聲音》一書中寫道：聲學(xué)是最早的科學(xué)研究領(lǐng)域之一。早在公元前500年左右，畢達(dá)哥拉斯(Pythagoras) 聽到鐵匠們敲打鐵錘時發(fā)出的聲音，他稱量了鐵匠們所用錘子的重量，發(fā)現(xiàn)那些發(fā)出悅耳聲音的錘子的重量之間是簡單的倍數(shù)關(guān)系，八度音程是所有音程中最和諧的。TWS耳機(jī)要讓消費者體驗更好，滿足降噪、音質(zhì)、交互等全方位的需求，離不開嚴(yán)苛而精確的科學(xué)支撐。

近段時間，8月18日，華為音頻領(lǐng)域迄今最大的實驗室——上海音頻實驗室首次向媒體開放，闡述了華為音頻從硬件、軟件到無線高清傳輸?shù)娜溌肥浇鉀Q方案，原來一個華為TWS耳機(jī)從誕生到出廠，要在里面經(jīng)歷一關(guān)又一關(guān)的連環(huán)考驗。

沿著這段TWS耳機(jī)的科技之旅，很適合深入扒一扒華為在數(shù)字音頻領(lǐng)域的技術(shù)“家底兒”，也能借此機(jī)會審視一下，TWS耳機(jī)究竟需要什么樣的體系化能力。

旅程第一站：科學(xué)的原點

如前所說，科學(xué)是人類理解和感知聲音的最佳標(biāo)尺。大約4億年前，當(dāng)兩棲動物在陸地上定居后，為了探測經(jīng)由空氣傳導(dǎo)的聲音，鼓膜和耳蝸就開始演化了，聲音的出現(xiàn)甚至早于視覺，這是科學(xué)的原點。

古希臘人在建筑結(jié)構(gòu)上窮盡腦洞，公元前4世紀(jì)的埃皮達(dá)魯斯劇院用石灰石制成座椅，用來吸收頻率低于500赫茲的聲音，降低觀眾竊竊私語的噪音。第一次世界大戰(zhàn)，人們意識到高頻聲音能夠作為聲吶系統(tǒng)的一部分，才對它們產(chǎn)生了興趣。第二次工業(yè)革命中，愛迪生發(fā)明了留聲機(jī)，讓錄制好的音樂通過電聲轉(zhuǎn)換設(shè)備分享給了發(fā)燒友們，帶動了音響藝術(shù)。到了1979年，索尼第一款磁帶隨身聽TPS-L2亮相，便攜式耳機(jī)隨之進(jìn)入市場。到了2016年AirPods問世，實現(xiàn)了雙耳分離，也開啟了TWS耳機(jī)的競逐。

不難發(fā)現(xiàn)，耳機(jī)的發(fā)展與人類科技的進(jìn)步、對音質(zhì)永無止境的追求、享受音樂的需求逐漸大眾化，有著直接的關(guān)系，沿著兩個核心脈絡(luò)向前演進(jìn)：

一是便攜性。一方面，耳機(jī)的體積越來越小，1891年誕生的耳機(jī)是專為通信而打造的，使用時需要把重達(dá)幾磅的耳機(jī)支在肩頭，隨著Walkman、iPod、手機(jī)等設(shè)備的普及，耳機(jī)憑借其小巧的體型、相比音響更友好的價格，成為欣賞音樂的主流設(shè)備，生產(chǎn)工藝也使得耳機(jī)體型越來越小，入耳式耳塞可以把聲音灌入耳道。便攜性的另一面，則體現(xiàn)在從有線到無線的演進(jìn)，減少了連接線的束縛。上世紀(jì)曾誕生了以紅外線作為傳輸?shù)臒o線立體聲耳機(jī)，但紅外線發(fā)射的距離有限、范圍有限，發(fā)射器和接收器裝置也無法小型化，沒能大范圍普及。也曾出現(xiàn)過WiFi的無線耳機(jī)，但WiFi建設(shè)成本高，無法滿足用戶隨時享受音樂的移動需求，同時配對復(fù)雜，換一個WiFi就要重新輸入密碼，十分繁瑣。TWS耳機(jī)之所以成為無線耳機(jī)的主流解決方案，得益于藍(lán)牙在帶寬、功耗、連接穩(wěn)定性等方面的優(yōu)越性，加上智能手機(jī)的普及和無線化趨勢，TWS耳機(jī)成為滿足大眾聽覺體驗的首選方案。

二是音質(zhì)。聲學(xué)品牌率先開始投入耳機(jī)制造領(lǐng)域，1959年日本STAX公司推出了震驚世界的SR-1，無與倫比的細(xì)膩及低失真表現(xiàn)將同時代的動圈耳機(jī)拋后幾個身位。1979年索尼進(jìn)軍耳機(jī)行業(yè)，“索尼大法”憑借音質(zhì)吸引音樂發(fā)燒友流行世界。TWS耳機(jī)采用無線傳輸，擺脫了耳機(jī)線的束縛，在聽覺體驗上的技術(shù)難度也增加了。

一方面，音質(zhì)好要集成高素質(zhì)的聲學(xué)單元，這就對TWS耳機(jī)的設(shè)計和工藝提出了很高挑戰(zhàn)，比如以音質(zhì)為賣點的鐵三角ATH-CKR7TW，采用DLC類鉆石碳涂層振膜單元，在當(dāng)時達(dá)到了很高的單元素質(zhì)，也導(dǎo)致產(chǎn)品體積過大，佩戴舒適度不足。

此外，TWS耳機(jī)去掉了連接線，左右耳分離的特征雖然方便，但出現(xiàn)了連接穩(wěn)定性低、區(qū)分主副耳、時延大等新問題，往往需要與手機(jī)等設(shè)備來協(xié)同優(yōu)化，而很多TWS耳機(jī)廠商本身沒有智能手機(jī)、可穿戴設(shè)備等產(chǎn)品線，無縫協(xié)同、降低延時、同步穩(wěn)定性等方面與華為、三星等多品類廠商就略顯遜色。比如三星Galaxy Buds搭配三星手機(jī)可以無縫連接，華為Freebuds Pro2與華為手機(jī)配合，支持高端藍(lán)牙音頻傳輸標(biāo)準(zhǔn)HWA和Hi-Res Audio Wireless雙金標(biāo)認(rèn)證，加上耳機(jī)自帶的四磁體13mm高質(zhì)量動圈單元，音質(zhì)表現(xiàn)自然更好。傳統(tǒng)聲學(xué)廠商的優(yōu)勢是長期的內(nèi)容積累，比如索尼就提供“索尼精選”的包月收費服務(wù)，用戶可以欣賞到超越CD的Hi-Res音源。

同時，TWS耳機(jī)靠近耳道，如果降噪、控制力做得不夠好，用戶為了聽得更清楚而將音量開大，久而久之會對聽力造成損害。“軟件定義一切”的數(shù)字時代，主動降噪、高低頻調(diào)校等來控制聲音動態(tài)表現(xiàn)，需要軟硬件結(jié)合的開發(fā)能力，傳統(tǒng)聲學(xué)廠商也未必能游刃有余，比如索尼WF-1000X作為首款具備主動降噪功能的TWS耳機(jī)，降噪效果卻沒能達(dá)到很多人預(yù)期的效果。

綜觀耳機(jī)產(chǎn)品的變化可以發(fā)現(xiàn)，聲學(xué)科技的進(jìn)步，數(shù)字音頻的發(fā)展，享受好音質(zhì)的門檻不斷降低等等，多重因素共同決定了耳機(jī)對于消費者的吸引力。未來，圍繞TWS耳機(jī)的競爭還會更激烈，也說明創(chuàng)新開始進(jìn)入深水區(qū)。主要表現(xiàn)在：淺層創(chuàng)新開始“內(nèi)卷”，比如受限于新技術(shù)、新材料的突破周期，體積減無可減，開始在外觀、器材上同質(zhì)化競爭，幾十元的TWS耳機(jī)都開始塞進(jìn)動圈單元，新技術(shù)亮點不足，同時出現(xiàn)了“科技以換殼為本”的供應(yīng)鏈?zhǔn)絼?chuàng)新。而一些尚未解決的體驗痛點，則需要深層創(chuàng)新來攻克，比如時延、音質(zhì)、降噪等，讓聲音從“能聽”到“好聽”，不是孤立技術(shù)能解決的，需要編解碼技術(shù)、音源、硬件、算法等綜合發(fā)力。

從這個角度看，華為上海音頻實驗室的出現(xiàn)恰逢其時，讓我們沿著科學(xué)的路線圖，去看看TWS耳機(jī)升級都需要哪些硬核科技作為后盾。

旅程第二站：華為耳機(jī)的試煉場

來自實驗室的千錘百煉，對一款耳機(jī)來說或許有些吹毛求疵，卻是消費者所喜聞樂見的。作為華為迄今面積最大的音頻實驗室，華為上海音頻實驗室對于一部TWS耳機(jī)來說，可能就是“試煉場”一般的存在，通過層層測試和考驗來打造極致音頻體驗。

一部TWS耳機(jī)會在華為上海音頻實驗室，要經(jīng)歷哪些難關(guān)？咱們用“云旅游”的方式來感受一下：

首先來到“硬件創(chuàng)新實驗室”。硬件創(chuàng)新的前提是有各種儀器設(shè)備來進(jìn)行調(diào)試，華為為該實驗室引入了各種研發(fā)、調(diào)試?yán)?，為產(chǎn)品設(shè)計和用戶體驗提供保障。比如通過3D打印機(jī)，能夠進(jìn)行定制化的耳機(jī)形態(tài)打印，與人耳的貼合度更高。

聽覺體驗與具體情境高度相關(guān)，在真實世界中或盡可能接近真實世界的環(huán)境中測試至關(guān)重要。產(chǎn)品設(shè)計完成之后，就要經(jīng)歷一系列場景化測試與檢驗了。華為上海音頻實驗室在場景化方面部署重兵，搭建了耳機(jī)通話實驗室、耳機(jī)降噪實驗室、車載場景實驗室、可變混響場景實驗室等多個細(xì)分實驗室，以滿足各種不同場景下的聲音體驗最優(yōu)化。

比如耳機(jī)通話，就是一個極為高頻的使用場景。華為的耳機(jī)通話實驗室十分“黑科技”，是一個尖劈設(shè)計的全消聲實驗室。在一座“懸空”于地面的房間，采用6面尖劈設(shè)計，本底噪聲僅有9dBA，甚至超越了20dBA的人類聽力極限——人走進(jìn)入可以聽到自己的“心跳”的聲音。在這樣的環(huán)境中，還擺放了8個揚(yáng)聲器及一個低音揚(yáng)聲器，最大程度地還原真人在不同環(huán)境下進(jìn)行通話，包括安靜的、有噪聲的、高噪的、多人講話等場景。可想而知，這個實驗室對于噪聲場景的還原以及耳機(jī)通話能力的調(diào)試也是極為優(yōu)越的。

主動降噪是利用電子技術(shù)來是消除噪聲，帶來音質(zhì)和聽覺體驗的明顯提升。具體怎么降低噪聲呢？“耳機(jī)降噪實驗室”就是專業(yè)干這個的。同樣是全消聲實驗室，耳機(jī)降噪實驗室采用的是平板吸聲技術(shù)，本底噪聲只有10dBA，通過噪音信號采集、不斷重放調(diào)試，通過科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)沫h(huán)境，測試耳機(jī)的降噪能力，HUAWEI FreeBuds Pro 2的智慧動態(tài)降噪都是在這里進(jìn)行調(diào)試的。

空間音頻實驗室的揚(yáng)聲器系統(tǒng)，可以營造出標(biāo)準(zhǔn)三維聲環(huán)繞環(huán)境，模擬還原真實的生活場景，在這里對音樂、電影、有聲書等音源進(jìn)行反復(fù)調(diào)試，滿足發(fā)燒友對聲音的嚴(yán)苛要求。室內(nèi)場景模擬實驗，則用于對平板、PC、大屏、音響、家庭影院等產(chǎn)品在各種生活環(huán)境中的音樂播放效果的調(diào)測，滿足用戶在不同場景、不同空間大小中，混響差異帶來的細(xì)致感受。

當(dāng)然，效果好不好，最終還是要靠用戶的真實感受和反饋來說話，用戶測試是不可或缺的一環(huán)。在可變混響實驗室，通過用戶的主觀體驗觀察與測試，將個性化的用戶體驗轉(zhuǎn)變成一個個定量的科學(xué)數(shù)據(jù)，進(jìn)而指導(dǎo)華為耳機(jī)產(chǎn)品的優(yōu)化。在實驗室的“采訪間”內(nèi)，用戶對耳機(jī)的降噪舒適度、佩戴舒適度、通話等進(jìn)行打分，幫助工程師進(jìn)行更優(yōu)產(chǎn)品體驗的打磨。還有與專業(yè)醫(yī)院測試儀器同精度的聽損測試儀設(shè)備，可以準(zhǔn)確檢測出耳朵的聽損程度，后續(xù)結(jié)合智能算法來優(yōu)化聽感、保護(hù)聽覺健康。

只有將科技產(chǎn)品帶入不同情境、不同空間、不同體驗之中，讓多種技術(shù)能力的融合協(xié)同發(fā)揮到極致，才能打破TWS體驗的天花板。

旅程第三站：FreeBuds Pro 2的路標(biāo)

華為上海音頻實驗室能力如此強(qiáng)大，給出了怎樣的產(chǎn)品答卷呢？FreeBuds Pro 2就是那枚經(jīng)過了千錘百煉的TWS耳機(jī)，也成為引領(lǐng)行業(yè)科技創(chuàng)新方向的一個路標(biāo)。

前面說到，深層創(chuàng)新需要多種技術(shù)的協(xié)同突破，而FreeBuds Pro 2耳機(jī)的音頻體驗，正是通過全鏈路能力來系統(tǒng)性輸出。

硬件架構(gòu)創(chuàng)新：HUAWEI FreeBuds Pro 2的超感知原聲雙單元系統(tǒng)，創(chuàng)新性地采用了兩個獨立發(fā)聲單元的聲學(xué)架構(gòu)：音單元采用11mm四磁體雙磁路大動圈單元，磁通量更大，推動振膜的驅(qū)動力也會更大，從而讓低音呈現(xiàn)更加渾厚有力，直入人心；高音單元采用微平板技術(shù)，音圈驅(qū)動面積占振膜全部面積的比例更大，與音源近似一致的瞬態(tài)響應(yīng)速度，讓聽眾能夠聽清楚音樂中的更多細(xì)節(jié)。很多音樂發(fā)燒友喜歡用“易推”“沒推好”來判斷耳機(jī)品質(zhì)，其實就是耳機(jī)能不能快速反應(yīng)，推出平衡的好的聲音，這對耳機(jī)的驅(qū)動力、靈敏度都有很高的要求，HUAWEI FreeBuds Pro 2的架構(gòu)創(chuàng)新，結(jié)合數(shù)字分頻方案，讓TWS耳機(jī)也有了媲美頭戴HiFi耳機(jī)的音質(zhì)。

軟件算法進(jìn)步：“軟件定義一切”在數(shù)字音頻領(lǐng)域主要體現(xiàn)在降噪、音質(zhì)上。主動降噪方面，華為基于耳機(jī)通話實驗室自研了DNN深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通話降噪算法，對500+ 種類的噪音、上億級的噪音數(shù)據(jù)量進(jìn)行深度學(xué)習(xí)，讓HUAWEI FreeBuds Pro能夠定向拾取人聲并加強(qiáng)，在高噪聲和風(fēng)噪場景，通話降噪效果大幅提升。音質(zhì)提升方面，HUAWEI FreeBuds Pro 2搭載的三重聽感優(yōu)化算法，能夠?qū)崟r動態(tài)檢測不同的耳道結(jié)構(gòu)、佩戴狀態(tài)以及音量大小，智能計算并優(yōu)化全頻段聽音效果。

藍(lán)牙編解碼技術(shù)升級：很多消費者在升級耳機(jī)之后，發(fā)現(xiàn)聽到的聲音并沒有很大的變化，這就要說到設(shè)備之外，另外兩個決定聽感的關(guān)鍵因素：

一是音源，如果播放的是MP3這類有損壓縮格式，那么設(shè)備再高級也很難達(dá)到高清效果，高解析度音源Hi-Res被認(rèn)為音質(zhì)超越CD，早在2018年，華為就率先提出了HWA（HiRes Wireless Audio）高音質(zhì)藍(lán)牙協(xié)定，并作為HWA聯(lián)盟的發(fā)起方之一，投入大量資源來推動高清無線音頻的發(fā)展，讓用戶能聽到更優(yōu)質(zhì)的聲音；

二是傳輸，藍(lán)牙音頻傳輸過程要經(jīng)歷兩次解碼和一次解碼，傳統(tǒng)的編解碼技術(shù)帶寬不足，在傳輸高解析音頻內(nèi)容時會讓聲音劣化，造成音質(zhì)損傷，以HUAWEI FreeBuds Pro 2為例，就結(jié)合華為自研L2HC及業(yè)界LDAC?雙高清音頻解碼，減少無線傳輸?shù)难舆t及音質(zhì)損傷，原本的聲音是什么樣，聽到的就是什么樣，獲得了HWA及Hi-Res雙金標(biāo)認(rèn)證，率先實現(xiàn)HarmonyOS及Android雙生態(tài)高清音頻傳輸。

可以看到，從硬件、軟件到編解碼技術(shù)的全鏈路式解決方案，讓HUAWEI FreeBuds Pro 2劈開了深層創(chuàng)新的天花板，將TWS耳機(jī)的音質(zhì)表現(xiàn)拉升到新的定義空間。

下一站，聆聽萬物的未來

TWS耳機(jī)的音質(zhì)有那么重要，需要投入如此多的人力物力財力去鉆研嗎？回答這個問題前，或許我們可以回到一開始的科學(xué)原點，去思考一下數(shù)字時代聲音對于個人來說意味著什么：

一是新體驗。萬物互聯(lián)時代必然是多感官的沉浸體驗，互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展至今的幾十年間，視覺體驗得到了空前的提升，大量關(guān)于網(wǎng)頁優(yōu)化、算法推薦的新技術(shù)出現(xiàn)，已趨于飽和。人們需要處理大量視覺信息，注意力已經(jīng)過載，更好的聲音和更少的壓縮可以讓我們花費更少的精力來取得更高的工作效率。圍繞聽覺維度展開的體驗競爭，將是接下來的重點。耳機(jī)把持著聽覺入口這一戰(zhàn)略位置，其體驗自然至關(guān)重要。目前，華為音頻技術(shù)，已經(jīng)在大屏音響、平板PC和手機(jī)等產(chǎn)品上給消費者提供優(yōu)質(zhì)的音頻體驗。

二是新場景。很多場景下聽覺變得愈發(fā)重要，成為獲取新增長的變量之一。比如車內(nèi)，有一個測試，小朋友們在車上往往會沒有安全感，導(dǎo)致家長不能專心駕駛，而科學(xué)家在車內(nèi)加入了低頻沉穩(wěn)的聲音，讓小朋友情緒穩(wěn)定，能夠平穩(wěn)地睡著。由此可見，車內(nèi)聲音是非常有價值但尚未被真正開發(fā)的難點，今天大部分汽車的車載音頻設(shè)備還處于“能出聲”的階段，要達(dá)到享受聲音、觸碰人心的效果，還需要進(jìn)一步創(chuàng)新。事實上，華為音頻音效技術(shù)已經(jīng)開始上車，結(jié)合車輛場景，讓AITO汽車的乘客獲得更好的沉浸感，試聽感受到好評。

更好的科技應(yīng)學(xué)會主動開辟新道路，為人類的美好生活而服務(wù)，數(shù)字時代也呼喚著新的聲學(xué)科技。

而華為能夠在聲學(xué)科技上走得更遠(yuǎn)，以下幾方面的原因是有目共睹的：

1.長期投入的技術(shù)積淀。在研發(fā)上的持續(xù)投入是華為一直堅守的信念，華為在音頻領(lǐng)域集合全球超過七大研發(fā)中心能力，超過500人的聲學(xué)工程師團(tuán)隊，其中上海音頻實驗室的每個細(xì)分實驗室投入都在百萬以上，從HUAWEI FreeBuds Pro 2的表現(xiàn)可以看出，華為在音頻方面的技術(shù)積累也開始轉(zhuǎn)化為明顯的產(chǎn)品優(yōu)勢。

2.對用戶體驗的重視。以用戶為中心，在實驗室中盡最大能力去提升用戶體驗，聽取用戶反饋，已經(jīng)融入華為技術(shù)研發(fā)的基因之中。

3.創(chuàng)新轉(zhuǎn)化的工程能力。技術(shù)創(chuàng)新到產(chǎn)品成果的轉(zhuǎn)化是一個環(huán)環(huán)相扣的過程，從實驗室不難看出華為音頻的精益求精和流程把控，最終打造出具有競爭力的產(chǎn)品力。

在TWS耳機(jī)進(jìn)入主流視野的第六年，或許我們真正需要的創(chuàng)新就是這樣——理解并觸摸用戶的主觀感受與渴求，同時要向科學(xué)與技術(shù)中去尋求解決方案。

這是一條更艱難的創(chuàng)新之路，也是此后市場競爭的焦點所在，而華為又一次引領(lǐng)行業(yè)，倒逼TWS耳機(jī)進(jìn)入新一輪良性進(jìn)化。

敢于向科技更深處探尋，這或許是華為存在的最重要的意義，也將觸發(fā)下一段聲音科技之旅。

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