一文看懂 | 一副耳机塞下6个麦克风,苹果是怎么做到的?

前不久,苹果的Airpods Pro正式上市,各路拆解大神速度进行了360度花式拆解,把Airpods Pro从里到外看了个遍。大神们在感叹苹果牛掰的工业设计之外,惊讶的发现,每个耳机居然史无前例的塞进了3个麦克风。

▲X光下的Airpods Pro,原图来自iFixit,黑毛警长008标记

上图是Airpods Pro的X光照片,在红圈处就是三颗麦克风所在的位置。分别位于耳机机身的底部、中部以及耳机内部。

1. 麦克风长什么样?

我们先看看3号麦克风,3号麦克风位于耳机内部

▲3号麦克风被称为“内向”麦克风,位于耳机内部,原图来自APPLE,黑毛警长008标记

而耳机被暴力拆解后可以更加清晰的看到麦克风(红框处)的黄铜外壳

▲耳机被暴力拆卸后看到的3号麦克风实物图,原图来自ifixit,黑毛警长008标记

经过进一步拆解和对比,发现1号与2号麦克风信号相同,为234-936-GWM1。而三号麦克风信号略有区别。

▲三颗麦克风实物图,黑毛警长008整理

2. 为什么麦克风这么小?原理是怎样的?

Airpods Pro用的麦克风的长宽高约为3*2*0.98毫米,不足米粒大小。这种麦克风的专业名称为MEMS麦克风。

MEMS, 原文全称Micro-Electro-Mechanical System,中文全称微机电系统。MEMS传感器采用半导体技术进行加工,加工精度可以控制到微米甚至纳米级别。相比传统麦克风,MEMS麦克风具备尺寸小、功耗低、性能优、一致性高、成本低的优点。由于这一系列优点,目前市场上的大部分消费电子产品,包括手机、智能音箱、智能穿戴、TWS耳机、VR、AR等都在广泛使用MEMS麦克风,以至于如今业界把MEMS麦克风形容为电子产品的“听觉细胞”。

▲MEMS麦克风3D结构图,来自41j.com

MEMS麦克风由三部分构成,第一部分是MEMS声音传感器(上左图中的右边部分),第二部分是ASIC芯片(上左图中的左边部分),第三部分是金属外壳。底部PCB板上有信号端子(上右图黄色方块部分)和接地端子(上右图黄色圆圈部分)。根据信号处理方式的不同,不同信号MEMS麦克风的信号端子数量不同,常见的为2~4个。(Airpods Pro的麦克风有4个信号端子)

▲MEMS传感器右视图横截面示意图,来自omron

MEMS传感器由上下两层“薄膜”构成一个电容器,上层为孔洞结构(上图黄色/绿色部分),下层为密闭结构。当声音传递到传感器时,声压会导致两层薄膜之间的间距发生变化,从而形成电容变化,也就是将声音信号转变为了电信号。

▲MEMS底层薄膜随声波震动,从而将声压转换为电信号,来自omron

在MEMS传感器将声压转换为电信号之后,电信号会被传递给ASIC芯片,芯片会对电信号进行处理,比如进行放大和模数转换(将模拟信号转为数字信号)

ASIC处理后的信号,最终通过底部的信号端子进行输出。

3. 为什么要放置三颗麦克风?

作为TWS(True Wireless Stereo,真无线立体声)耳机来说,每个耳机放一个麦克风不就够了吗?为什么要放三个?

这个问题要从苹果追求极致的设计思路说起。

1号麦克风,也就是整体底部的那一颗麦克风,功能是接收语音。这个麦克风必不可少,TWS耳机中都会有这个麦克风。

而2号麦克风,用于接收外部噪音信号。

▲2号麦克风,用于接收外部噪音信号,来自Apple

耳机中的处理器会识别2号麦克风接收到的噪音,并生成一个与噪音幅度相同、相位相反的声音信号(上图中右侧绿色部分),可以理解为噪声的一个镜像。当噪声与这个噪声镜像叠加后,两者就互相被抵消了,从而实现了所谓的“主动降噪”功能。

一般来说,对于主动降噪耳机,有这个麦克风就足够用了。但是苹果并不满足于此。

苹果发现,噪声不仅会来自外部,还会来自“内部”,也就是耳塞与耳道之间。由于人体无论是静止还是运动状态,耳塞与耳道都会产生持续的摩擦,从而产生噪声并影响到音质体验。这部分噪声如何去除呢?苹果想到,既然可以用2号麦克风“拾取”外部噪声,那么耳塞内部一样也放一个麦克风,用于侦测耳塞内部的噪声,并使用同样的“主动降噪”技术,将这一部分噪声也进行抵消。

这颗耳塞内的麦克风就是我们前面提到的3号麦克风,这也是它被称为“内向”麦克风的原因。(嗯,并不是性格内向,而是侦测的方向是“向内”的)

这样,1号麦克风用于接收语音等有用信号,2号麦克风用于侦测耳机外部的噪声信号,3号麦克风用于侦测耳塞内部的噪声信号,从而最终形成了内置3颗麦克风的Airpods Pro。

4. 其他的TWS耳机也有这么多麦克风吗?

虽然市面上已经有了不少可以主动降噪的耳机,但是截止目前Airpods Pro还是独此一家。“其他”的耳机们仅仅能够主动抑制来自耳机外部的噪声,尚不具备Airpods Pro的消除耳塞内部噪声的功能。因此,既然功能上不具备,它们当然也就不需要在耳塞内部再多加一颗麦克风了。

手机摄像头不断增多,能够带来更好的体验;同样TWS耳机内麦克风的增多,一样可以带来更好的体验(当然,同时还需要强大的信号处理芯片,如H1,以及其他辅助零组件)。TWS耳机内部的麦克风,从最初的一个发展成两个,如今苹果发展成了三个,让降噪效果达到了前所未有的高度。这也是为什么Airpods Pro在1999元的高价下,依然“真香”重要原因之一。

5. Airpods Pro的麦克风是什么品牌?还有哪些耳机品牌使用同款麦克风?

截止目前,在业界对Airpods Pro拆解中,发现麦克风均来自歌尔股份。歌尔股份是一家2001年成立的中国公司,2008年A股上市。

在MEMS麦克风领域,在2011年之前几乎被一家公司所垄断,这家公司就是美国的楼氏(Knowles)。当时,在MEMS市场,楼氏一家就占了83%以上的份额,而其他公司,只能被楼氏按在地上反复摩擦。

▲MEMS麦克风市场,黑毛警长008整理

但从2011年开始,一些中国“小公司”的开始崛起。一家是歌尔,另外一家是瑞声。随着这些中国公司的不断努力,美国楼氏的份额被不断蚕食。

特别是歌尔股份,在2019年,一举超越美国楼氏,成为全球份额第一的MEMS麦克风厂家。特意做了个动图,来,感受一下。

▲MEMS麦克风市场,黑毛警长008

市场上,大部分高端电子产品,都会采用这三家的电声元器件。

苹果目前使用的比较多的是歌尔的麦克风,楼氏和瑞声用的相对少。而歌尔是华为在声学领域的唯一金牌供应商,华为通常会在其高端产品上使用歌尔,中低端产品使用其他品牌的声学器件。

业界TWS耳机品牌中,除了苹果、华为、三星等大品牌之外,一些追求高品质的小众品牌,比如Libratone(丹麦品牌)也有选择歌尔的高端MEMS麦克风。

当然,无论是歌尔还是楼氏,其麦克风都有不同型号和品质之分。比如苹果Airpods Pro用的歌尔产麦克风,就是歌尔为苹果“私人定制”的。而对于市面上大部分中小厂商,很难有实力“定制”麦克风,更多是从麦克风厂商购买标准化的产品。

所以,即使很多小品牌甚至山寨货,一样会使用歌尔和瑞声的麦克风,只不过用的都是标准化的产品。只有苹果、华为这样的大厂才有实力进行“私人定制”。

写在最后

随着半导体技术的发展,麦克风从传统麦克风演进到MEMS麦克风,如今,MEMS麦克风已经被誉为电子消费产品的“听觉细胞”。

“听觉细胞”市场早期被美国所垄断,但是在歌尔和瑞声等中国公司的努力下,实现了中国MEMS技术的超越。发展到今天,歌尔已经跃居成为世界第一大MEMS麦克风厂商,无论在质量上还是在数量上,都成为业界的Number One。

由于MEMS麦克风及新型无线传输等技术的加持,苹果的Airpods于2016年诞生。在苹果的引领下,TWS耳机从被认知到认可,快速发展。

苹果为Airpods Pro史无前例配置多达3颗麦克风,将主动降噪技术带上了一个新的台阶。而就像手机行业的“摄像头”大战一样,在苹果的标杆作用下,可以想象,华为、OV、小米等厂商必将快速跟进,“MEMS麦克风大战”一触即发。

一方面TWS耳机发货量快速增长,另外一方面,每一幅TWS耳机需要的麦克风数量也将高速增长。

苹果为例,苹果耳机的2019年发货量预计5000万部,2020年达到9000万部,增长80%。明年的9000万部耳机中,约1000万为Pro,那么麦克风方面的增量是86%(估算方式见下表)

之前的认知是零组件业务与消费电子整体市场同步,已经进入相对平滑的增长阶段。但通过分析我们发现,并非如此。

对于同时有TWS耳机和零组件业务的厂家,2020年将迎来超过预期的增长。其中最为典型的公司就是歌尔,歌尔同时为苹果提供Airpods整机及麦克风零件。歌尔的Airpods订单份额2019年是26%,明年份额预计将增加到35%左右,那么从发货量上就是从1300万部到3150万部,将增长142%。而零组件部分,如果仅仅看苹果的订单,明年也可以实现至少86%的增长。而如果再考虑到华为等安卓系的订单(歌尔是华为声学领域唯一金牌合作方),那么歌尔明年的增长空间将得到进一步的提升。

$歌尔股份(SZ002241)$ $瑞声科技(02018)$ $苹果(AAPL)$

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精彩评论

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one段子手2019-11-14 18:28

真香

蒙蒙的小鼠2019-11-10 23:02

歌儿的市值落后立讯太多了,近期涨幅也比立讯少多了,短期被低估太多

笑纳世界2019-11-10 21:23

真希望不是意淫,但很可能是意淫,做偏中长期投资可以,不要太长了

Hhek2019-11-10 20:46

难怪歌尔这么涨,市场永远是对的

牛势20152019-11-10 13:27

歌儿为了量和地位应该在苹果的订单上放弃了利润,因为精密零件产值增加很小,这明显不符合分析,要不然mems是和立讯合作那家台企的而不是歌儿的