骨振動傳感器在TWS耳機中的應(yīng)用

TWS耳機

TWS（True Wireless Stereo）真無線藍牙耳機與傳統(tǒng)耳機相比，具有極高的便攜性。隨著主動降噪、空間音頻等新功能的加入，TWS耳機的功能性更加豐富，使用體驗得到不斷提升，更加促進TWS耳機的快速普及。

日常生活中，語音通話的應(yīng)用場景比較復(fù)雜，比如在地鐵上、辦公室里、機場等公共場所，對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。如何能夠更進一步提升TWS耳機的通話降噪效果，從而凸顯產(chǎn)品的差異性，提升產(chǎn)品的競爭力，成為眾多廠商布局產(chǎn)品的重點方向之一。

骨振動傳感器的檢測原理

人在說話時，聲帶產(chǎn)生的振動信號，有兩種方式進行傳播：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。骨振動傳感器就是利用后者的傳播方式，檢測耳廓的振動信號，拾取佩戴者的語音信息。骨振動傳感器對于空氣中傳播的聲波信號不敏感，對空氣中傳播的聲音信號具有天然的抑制作用，因此，通話降噪算法更簡單，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。

TWS耳機降噪方法的對比

市場上TWS耳機種類繁多，對于ENC（Environmental Noise Cancellation）降噪方面，根據(jù)不同的價格及性能定位，有單麥克風(fēng)、雙麥克風(fēng)、三麥克風(fēng)以及骨振動等多種產(chǎn)品形態(tài)。

單麥克風(fēng)方案價格有優(yōu)勢，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，識別濾除噪聲信號。不過單麥克風(fēng)方案降噪效果一般，對于復(fù)雜場景的噪聲識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)高噪場景下有比較好的體驗，性價比高，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)，這樣才可以識別不同方向的聲音信號，兩顆麥克風(fēng)的最小間距一般要求10mm。算法上用相對成熟的beam forming算法，波形指向配戴者說話的音源，在音源方向增強信號靈敏度，在其它方向壓制信號靈敏度，從而實現(xiàn)噪聲的消除。

三麥ENC降噪一般復(fù)用ANC主動降噪反饋麥克風(fēng)（Feedback Microphone，F(xiàn)B），F(xiàn)B麥克風(fēng)用于檢測聲帶通過耳蝸傳遞到耳機的聲音信號，另外由于FB麥克風(fēng)深處耳道內(nèi)部，主動降噪耳機大部分為入耳佩戴方式，耳機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)場景，抗風(fēng)噪能力佳，但是算法復(fù)雜，價格相對高。

麥克風(fēng)與骨振動相結(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)噪是大部分耳機的一個痛點，當(dāng)風(fēng)速大于5m/s時，麥克風(fēng)會出現(xiàn)飽和失真，此時麥克風(fēng)喪失捕捉語音信號的能力，骨振動傳感器對空氣波動不響應(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。另外對于豆式耳機，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)加一顆骨振動傳感器，可以實現(xiàn)比較好的通話效果，抗風(fēng)噪能力強，噪聲抑制效果佳，算法上也無需復(fù)雜的波束成形，簡單的語音算法就可以實現(xiàn)，方案的整體性價比高，為越來越多的耳機廠家所采用。

骨振動傳感器的器件設(shè)計

基于MEMS（Micro-Electronic-Mechanical-System）微加工技術(shù)，在硅襯底上加工形成微米級尺寸的彈性梁結(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)成梳齒形可動電容，當(dāng)有振動施加到器件上時，質(zhì)量塊產(chǎn)生振動，帶動電容梳齒產(chǎn)生振動，電容兩極板之間間距變化，因此電容產(chǎn)生變化。

器件內(nèi)部的ASIC（Application Specific Integrated Circuit）將微弱的電容信號提取、轉(zhuǎn)換以及放大，將振動信號以電壓的形式輸出，與傳統(tǒng)硅麥的輸出信號相似，便于藍牙主控進行信號處理。

采用Metal-Lid LGA的封裝，整體外觀呈現(xiàn)為PCB基板與金屬殼組合形式。PCB基板位于底部，基板正面及背面分布有各路信號走線，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，以實現(xiàn)完整電磁信號屏蔽。LGA內(nèi)部主要由MEMS芯片與ASIC芯片組成。MEMS芯片貼裝于PCB基板，ASIC芯片貼裝于MEMS芯片上，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Wire-Bonding的方式實現(xiàn)信號互聯(lián)。2.7x1.8x1.1的封裝尺寸，小巧緊湊，與標(biāo)準(zhǔn)麥克風(fēng)尺寸兼容。

器件的靈敏度為-26dBV/g @1kHz，信噪比為55dB，諧振頻率為4kHz。一般而言，語音信號的帶寬為1kHz左右，因此器件頻率響應(yīng)在1.5kHz以內(nèi)平坦，更便于算法處理。

審核編輯 ：李倩