小米MIX 的设计和工艺公认是非常困难的,超大的屏占比抓住了很多眼球,大家也为小米的这次创新鼓掌。但是同时,由于不拘一格的设计,以及众多新技术的应用,特别是一些技术并未得到规模化验证,导致了良品率极低。

小米为何如此冒险?这次我从小米MIX 应用的两项声学新技术——压电陶瓷震动,超声距离传感——分析一下。

小米MIX 其惊艳的外观令人印象深刻,屏占比达到了史无前例的 91.3%,视觉上为“三面无边框”(仅保留底部边框)。其中,取消顶部边框是一个非常大胆的尝试,因为顶部边框至少会有 3 个器件:前置摄像头、距离传感器和听筒。另外很多手机还会多放一个麦克风以便嘈杂环境的时候降低噪声,以及普遍还放置光线传感器。

事实上,对于当前的智能手机,改动任何一个传感器位置都是很大的设计尝试。

但是小米为了取消顶部边框,不得不做一些冒险的技术尝试。摄像头和光线传感器位置不是非常敏感,放到下部边框也可以,当然,摄像头放在底部,自拍稍微麻烦,但距离传感器和听筒主要是通话辅助,更换位置就本末倒置了。

那么,什么是听筒?

学术上一般叫受话器(Receiver),媒体经常说成“听筒”,实际上可以理解为小型喇叭,有时候也叫着微型扬声器。

普通受话器和扬声器的工作原理类似,都是利用电感的电磁作用,即在一个放于永久磁场中的线圈中以声音的电信号,使线圈中产生相互作用力,依靠这个作用力来带动受话器的膜片振动发声。

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另外还有一种静电式受话器,通过在两个靠得很近的导电薄膜之间加上电信号,使这两个导电薄膜由于电场力的作用而发生振动,来推动周围的空气振动,从而发出声音。这种受话器目前在手机中使用越来越多。现在市面上已经有静电扬声器出售了。

先讨论一个问题:既然有了“喇叭",为何还要“听筒“?

可能很多人还没有留意,手机从功能机时代的标准配置就包含了一个受话器,一个扬声器,到现在也没有多大变化,为什么会这样?

技术还是要满足需求,这需要探索手机的两项主要功能:通话和娱乐。受话器和扬声器的主要区别也恰巧符合这两种功能的技术要求。

通话是手机的基本功能,特别是手机,需要满足两个基本需求:听得清、私密好,这正是受话器的基本特点。受话器的尺寸一般都在 2 cm 以内,其功率基本都在 0.5 W 左右,很少超过 1W(更大的也有一种用途)。受话器频率响应主要在中高频的人声频段,几乎不会低于 500HZ,相对来说衰减会比较快。

这些限制导致受话器的声音传播衰减很快,所以不靠近听筒很难听到声音,从而保证了通话过程的私密性。

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当然了,受话器也有很大的缺点,免提或者听音乐就无能无力了,这时候就需要切换到大功率的扬声器,通常称为喇叭,喇叭由于功率增大其音量也很大,而且喇叭的音质也增色不少。国内很多山寨机就主打“大功率喇叭”。

看来这两项功能确实不可替代,听筒和喇叭至少在当前手机设计中还是无法绕过的。

另外免提时候手机切换到喇叭工作模式,这个时候音量就会很大,周边的人都可以听到手机通话的声音,但同时却带来了一个副作用,就是若两方同时说话的时候,这个时候手机里面的麦克风也把喇叭播放的声音录了回去,然后再传输回放到了远端,远端的人听起来就好像回声一样,严重影响了通话质量。

所以手机里面自然又需要增加一项功能,回声抵消。

这个功能不仅免提时候启用,而且网络语音对话的时候也需要启用。回声抵消是双工通话的关键性技术。目前来看,技术来源主要是手机芯片厂商的集成和专业厂商的算法授权,比如声智科技甚至提供了面向低端摄像头的回声抵消和语音增强技术方案,让小小的摄像头具备了通话甚至语音识别的能力。

那么,听筒能不能放到手机下边框?

听筒的技术特性要求听筒必须物理上贴近耳朵,这严重限制了 ID 设计的自由度。但是也是没有办法的事情,因为通话还是个非常私密的事情,特别是在较为安静的场景,谁也不希望周边的人听到双方交谈的内容

Apple 在 iPhone 7 上据说就是使用底部的扬声器与顶部的受话器搭配,通过算法调校出来立体声音效的体验。考虑到手机内部紧凑的设计,确实也很难安放第二个扬声器。

小米MIX 的答案是:悬臂压电陶瓷导声技术。

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这并不新鲜,因为夏普 2011 年的功能机就采用了这种技术,包括夏普的智能机也部分采用,但是体验都不是太好。这种方式和受话器的发声原理是一样的,都是通过电信号转换成机械振动来产生声音,两者之间的区别仅仅是振动材料的不同而已。

为了大家理解压电陶瓷发声,我们举几个简单的例子:

第一个例子就是网上众多的共振音箱,通过压电陶瓷的振动可以带动玻璃甚至桌面振动产生声音。

第二个例子就是超声加湿器,其核心器件就是一个压电陶瓷片,这种 1~3MHz 的压电陶瓷片可以振动激发出水雾,当然这个频率的声音我们是无法听到的(人耳最高听到 20KHz,而且随着年龄增加持续下降)。

顺便说一句,超声加湿器的这种方式是不安全的,容易扩散细菌造成呼吸道疾病。

压电陶瓷的这种功能主要是得益于压电陶瓷的压电效应,这种特性是著名的居里夫妇 1880 年发现的。压电效应通俗来说,就是某种材料沿一定方向受到外力的作用而变形时,内部产生的极化现象。

压电效应有正效应和逆效应。简单来说,正效应可以产生电,逆效应可以利用电产生形变。利用逆效应给压电材料施加电压它就会变形,若施加可控制的交流电就可以产生我们需要的形变,这种形变就可以产生振动从而发出声音。

实际上很多材料具有压电效应,只不过压电陶瓷相对来说比较便宜和稳定。

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从上面来看,这项技术其实蛮普通的,通过激励压电陶瓷产生声音,进而再带动手机陶瓷框架振动发声传到耳朵,关键点是要控制好音质,因为这种方式的音质取决于跟随振动的材质。可以花个几十块钱试试共振音箱,贴在桌子、玻璃或者钢板上试听下效果。

那么,这种技术的效果到底好不好?会不会是未来的主流技术呢?

答案应该是清晰的,这种压电陶瓷的效果还是不能让人满意的,特别是作用到手机上用来替换听筒,至少有三个方面的缺陷:

第一就是音质问题,这种方式产生的声音比传统的受话器要差不少,降低通话体验显然是小米MIX 无奈之举;

第二就是私密性不好,因为整个陶瓷机身都在振动发声,这在很多场景都会让声音辐射出去,这是蛮尴尬的一件事情,如同半开了免提效果一般;

第三就是握感不好,打电话的时候握着的手机总是在振动,这真让处女座的人简直无法忍受了。还有,国内总喜欢给手机带个护套啥的,这些都会影响手机通话质量。

至于量产倒是其次,毕竟是概念机。虽然压电陶瓷的量产确实是个大问题,现在很难的技术就是压电陶瓷的切割,陶瓷易碎导致成本很贵,同时也侧面说明小米MIX 是一款需要精心呵护的手机,不能轻易给摔了,郁闷的是还不能给带个厚厚的外壳。

压电陶瓷的事情我们先讨论在这,下面再看看超声距离传感这项技术。

小米取消红外传感也是不得已,没有了手机上框让很多传感无处藏身,取消红外距离传感估计是多家手机厂商的共同想法。

事实上由于光学距离感应器需要在手机的正面开一个矩形黑块或两个大孔,手机设计人员早就想去除这个小孔。

但这些小孔又非常重要,主要用于检测用户何时正在打电话,从而禁用触摸屏,如果没有距离感应功能,用户的面颊就经常触摸屏幕容易产生意外操作,比如很多时候贴紧面部经常意外挂掉电话,或者开启了其他可怕的功能。

既然没有了上边框,红外无法使用,小米也花了很大心思,采用了超声距离感应的方法。

超声波测距原理与雷达原理是一样的。首先超声波发射器向某一方向发射超声波,在发射时刻的同时开始计时,超声波在空气中传播,途中碰到障碍物就立即返回来,超声波接收器收到反射波就立即停止计时。超声波在空气中的传播速度为 340 m/s,根据计时器记录的时间 t,就可以计算出发射点距障碍物的距离(s),即:s=340t/2。

顺便说一下,当前手机中的 mems 麦克风普遍具有了接收超声波段的能力,有的麦克风可以听到 80KHz。

同时,由于手机扬声器尺寸也很小,发射超声波段的声音难度也不大,也就为超声测距形成了天然的条件。手机中现在已经拥有了多个麦克风和喇叭,未来甚至还可以做超声手势识别。

当前几种主流手势识别技术我们列举和对比如下:

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但是,这项技术还不是非常成熟,小米也算是首次尝试。

小米的这种技术可成为软件解决方案,应该是 Elliptic Labs 这家公司提供的。事实上,单凭超声测距这项技术来说,没有多大技术难度,也不会有太大的专利壁垒。

最后再来总结一下,上面的这两项技术未来会成为主流吗?

分开来看,压电陶瓷导声这种技术应该不会,毕竟缺陷太多,对用户来说也没有不得不选的理由。

超声测距这项技术应该会有部分手机需要,但是这要依赖于我们手机器件的进步,特别是麦克风和受话器的更新,不能简单说成软件方案。

当然,我们也可以畅想:全屏、柔性屏将来需要怎样的声学技术呢?

手机中声学无非就做两件事情,发声和收声,这两种器件都在进步,有些原理方面进展也很大,特别是材料方面的进展,比如扬声器就有指向扬声器、静电扬声器等等出现。而麦克风现在基本都是 mems,其频段越来越宽,具有了拓展更多应用的能力。

麦克风和扬声器都在向着数字化发展,估计 3 年内可能会出现较大增长,这会让手机的设计更加简单。举个例子,柔性屏应该怎么配喇叭和麦克风?现在实验室已经研究出了薄膜扬声器和薄膜麦克风,相信会很快应用到一些概念手机上面。


分享者简介:

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陈孝良,博士,声智科技创始人,曾任中科院声学所副研究员和信息化办公室主任,中科院上海高等研究院客座,北京市公安局首届网络应急专家,主要从事声学信号处理和 GPU 深度学习算法研究工作。

2002 年从北京航空航天大学毕业后进入金山软件股份有限公司工作,2003 年进入中科院声学所,师从著名声学家田静和李晓东学习。主要参与海军某重大项目(已获得国防重大奖项)及 863、中科院战略先导项目等。期间负责的核心算法长期服役于海军某重大型号。

2016 年 4 月中旬离职中科院,带领声学阵列和深度学习两个团队在峰瑞资本的支持下成立声智科技,主要致力于解决真实场景下的语音交互问题,实现“听你所言、知你所想”的愿景。目前声智科技的语音交互技术已经应用于包括 360、小米、百度和东方网力等产品系列以及数十家音箱和汽车相关企业。

(本文转载自硬创公开课,六爷整理)

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