【专利解密】苹果申请骨传导技术耳机专利!会是下一个AirPods么?

【嘉德点评】苹果公司的头戴式耳机,结合了空气传导换能器和骨传导换能器,可以通过空气以及骨骼进行声音的传递,相比于现有的骨传导耳机更加智能,且功能更为强大

集微网消息,骨传导式耳机允许用户通过其颅骨中骨骼的振动听到声音,其不同于空气传导耳机,后者将声音信号转换为空气振动,然后由人耳检测到。通过骨传导,声音信号通过与用户直接接触而直接传输到用户的身体,不同类型的骨导式耳机可以通过接触用户头部的不同部分并通过用户颅骨的不同部分传输声音来进行操作。例如,骨传导耳机可以在用户的耳朵的前面或后面振动用户面部的侧面上的颞骨。

与空气传导耳机相比,骨传导耳机具有许多优势。例如,由于骨传导耳机不会阻塞用户耳道中的空气,因此骨传导耳机允许用户继续听见外部声音以及所传输的声音,骨传导耳机对于绕过听觉解剖结构受损部位的正常听觉通路受损或受损的用户也很有用。同时,骨传导耳机在无法进行空气传导的环境(例如水下环境)中也很有用。

尽管骨传导耳机非常有用,但是骨导式耳机也存在许多缺点。首先,骨骼传导不适用于高频声音。人的可听范围通常为20到20000赫兹。但是,在高于大约4000Hz的频率下,骨传导的有效性会大大降低。此外,由于骨传导通过直接与头部接触而起作用,因此骨传导耳机可能会在用户的皮肤上引起瘙痒感。

基于骨传导耳机的优势以及缺陷,苹果在2020年7月28日申请了一项名为“使用音频压缩器进行多路径音频刺激”的发明专利(专利号:US 10,728,649 B1),申请人为苹果公司。

根据该专利目前公开的资料,让我们一起来看看这项基于空气传导换能器和骨传导换能器的头戴式耳机吧。

如上图,为苹果发明的空气传导换能器和骨传导换能器的头戴式耳机,这种耳机被设计为戴在用户的头部,其包括空气传导换能器和骨传导换能器,这种耳机还包括向用户显示视频和增强用户的视觉感知的一对观察眼镜、用户与耳机进行交互的用户输入控件130和能够捕获用户生理数据的传感器。

耳机通过音频信号源以及接收音频信号的接口来生成要传递给用户的音频信号,音频信号源通常为头戴式耳机的一部分,通过无线、蓝牙或者wifi的形式与耳机本体进行连接。

空气传导传感器可以将音频信号转换为用户的耳朵可以检测到的空气中的振动,耳中的空气振动使得耳道中的鼓膜振动,继而引发使用者的中耳腔引起振动,最终在耳蜗134的骨腔中引起振动,这样就完成了空气传导的作用。除此之外,头戴式耳机还可以利用助听器技术来捕获外部声音并经空气传导换能器将这些声音放大传递给用户,这样就可以帮助部分听力不太好的用户来使用耳机。

与空气传导不同的是,骨传导通过用户的颅骨振动将声音传递给用户的内耳,骨传导换能器124将来自音频信号源110的音频信号转换为人体中的振动,其被用于使用者的颅骨126中产生振动。颅骨中的振动可由内耳的骨性耳蜗腔134检测到,内耳的耳蜗腔被传递至听觉皮层136,从而让用户听到声音,因此骨传导通路绕过了外耳和中耳的正常听觉通路。

如上图,为针对为气导换能器和骨导换能器生成的不同音频信号分量的示例性输入、输出传递函数,正是这些函数指定了耳机设备中使用的音频压缩器的压缩特性。低频输入输出函数310对应于低频分量的压缩器,高频输入输出传递函数360对应于高频分量的压缩器.

图中水平轴320代表提供给压缩机的信号的输入功率水平,垂直轴代表由压缩机产生的信号的输出功率水平,低频输入输出传递函数310由曲线图中的实斜线表示,传递函数可以指定压缩阈值312和压缩比314,在该输入水平之上,压缩器开始修改输入信号的强度水平。

动态范围的扩展可用于在非常低的功率水平下提供给骨传导换能器的某些低频范围,因为人类对低频声音的灵敏度通常低于对高频声音的灵敏度,并且在低频时在强度水平上,来自骨传导换能器的挠痒感可能不明显。

最后,如上图为由包括空气传导换能器和骨传导换能器的设备执行的操作的流程图,首先从音频信号源接收音频信号,这个过程可以由头戴式耳机执行,其次音频信号进行滤波操作以产生高频分量、中频分量和低频分量,其中之一用于空气传导换能器,另一个用于骨骼状况换能器。

此后,高频、中频和低频分量被均衡,通过单独均衡器来进行均衡操作,均衡器包括三个单独的均衡器以及单个均衡器,均衡器被配置为全局地均衡三个音频信号分量,可以根据两个换能器的等效响度函数来调节各个音频信号分量的振幅来实现导气换能器和骨传导换能器之间的平衡。

以上就是苹果公司发明的使用音频压缩器而实现的具有空气传导换能器和骨传导换能器的头戴式耳机,这种骨传导耳机在佩戴时可以开放双耳、不堵塞耳朵,因此十分适合在运动时使用,同时由于收集声音的距离近、损耗低,即使在说话音量十分小时也可以清楚的传递声音,在生活中非常具有实用性。

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(校对/holly)

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