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无线耳机的工作原理

当你们用这些无线耳机听音乐的时候,有没有想过它们是怎么工作的?今天我们来一起看看。这期视频我们拿苹果airpods2举例。
·先来看看它的结构。无线耳机的所有精髓都藏在这个防尘罩里面,最外面的这层是橡胶保护壳,在其中间有一个光学传感器,再往里面就是产生声音的扬声器。扬声器由四部分组成:震动磨片、悬架或者支撑环线圈以及磁铁。
在扬声器后面是一些极其复杂的电路,它们被统一折叠成一个很小的包装,我们可以把它们拉出来看看。这个电路本质上是三个独立的印刷电路板,这些柔性连接片把它们整合在了一起,就形成了一个单独的pcb。

在这个粘在扬声器背面的顶板上,我们能看到这里有两个焊接点,在其背后是一块相对较大的微芯片,它负责蓝牙的连接以及解码手机发送过来的压缩音频数据包。在这个电路板上还有一组加速度计以及一个可编程的soc。
这个电路板一般被折叠后连接在第二个电路板上,它包含一个低功率立体声音音频处理芯片,也就是我们常说的编解码器。与这块电路板连接的还有耳机的电池以及用于固定天线的弧形压缩片。

除此之外,耳塞的背面还有一个用于降噪的麦克风组件以及这个连接到电池的第三块电路板。电池的下方还有一块微型电路板,用于容纳只有米粒大小的主MEMS麦克风。在它的下面是一个网状防尘罩以及为二级充电的接触点。
用一句话总结它的结构:麻雀虽小,五脏俱全。这么一个小巧的空间居然包含如此大的工程量,着实令人惊叹。

·说完结构再来看看它的工作原理。当我们在手机附近打开已配对的蓝牙耳机时,会建立一个蓝牙通信通道。更加深入的讲解请翻一翻上一期视频--蓝牙的工作原理。
一旦开始播放音乐,我们的手机就会从闪存芯片里面获取音频数据,而后把它压缩并将压缩数据储存在手机的工作内存里面。这段音频的表示方法很简单,唯一长串阿拉伯数字。为了把它们发送到蓝牙耳机里面,我们的手机会根据蓝牙规范把信息再次压缩并划分成数据包。
接下来手机就会将这些数据包转换成电磁波,最后通过蓝牙通道发送到耳机里面。耳机接收到数据后会将其分解并压缩回肠至极。而后这些数值会发送到音频编辑码器,这个编辑码器会将数字转换为模拟电波。之后模拟电波会来到扬声器里的线圈。

由于线圈和震动磨片是连接在一起的,在电磁感应的作用下,震动磨片就会根据既定的波形来回移动,从而在空气中产生压力波。这些压力波被我们耳朵感知,然后把信息传到大脑并将其分析成具体的音频。这里面的具体原理可以翻一翻早期的视频麦克风的工作原理。

接下来来看看本期视频的重点:音频编解码器。编解码的意思就是编码和解码,一般来讲它是由一个硬件或者软件来完成,大致过程就是将数据或信息从一种形式转换成另外一种形式,从而达到压缩和解压的目的。
在前面讲的场景里面,音频编解码器将手机里的音乐数据从一组数字值转换成模拟波形,这就是解码音频的过程。当然音频编解码器也可以通过将来自麦克风的模拟信号编码为一组数字值来执行逆向操作,这就是音频编码的过程。

这是一个模拟音频波形,它有着非常具体的波峰以及波谷,根据音频的长度,这个波形也会持续很长。接下来具体看看如何将这个模拟声音波形转换成二进制的一和零。
或许很多人都认为里面涉及到了很多复杂的数学知识,比如什么正弦余弦、什么多变量方程什么的,其实不然,没这么深奥,跟着我看下去。
模拟音频波形会被放置在一张通用的图表上,它在特定的时间间隔内通过的所有数值都被显示在这个图表中,就像这样,音频波形的数字版本就是一长串1和0的数值或者点。在这种情况下,每个数据点之间有23微秒。

当数字信息或者说长串值输入音频边界码器时,后者会在图形上绘制出所有相对应的点,然后连接这些点并勾勒出类似于贝塞尔曲线的平滑曲线。最后将生成的波形发送至扬声器并产生声音。
有兴趣的小伙伴可以用专业音频编辑软件打开一个音频文件并把它放大到最大值。接下来就会出现神奇的一幕,这些点不就是前面讲的吗?所以这段音频也是由多个特定点构成的。